基于LTCC的无线无源双参数传感器*

唐 顺,王海星,谭秋林*,宋瑞佳,伍国柱,熊继军(1.电子测试技术国防科技重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



基于LTCC的无线无源双参数传感器*

唐 顺1,2,王海星1,2,谭秋林1,2*,宋瑞佳1,2,伍国柱1,2,熊继军1,2
(1.电子测试技术国防科技重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

设计了一个基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的无线无源双参数传感器,传感器基于LC(inductor-Capacitor)谐振原理,询问天线通过无线遥测的方式获取传感器的压力和温度信号。在传感器基板上集成了两个LC谐振回路,谐振回路中两个电容分别对压力和温度参数敏感,同时两电感采用特殊结构来减少双参数在测试时的互感串扰。搭建了温度-压力复合测试平台,对传感器进行了相关测试。传感器最高测试温度为300 ℃,温度灵敏度为-14.27 kHz/℃,压力灵敏-13.75 kHz/kPa,实验结果表明,这种设计能明显减少两参数之间的互感影响。

无线无源;双参数;LC传感器;LTCC;互感串扰

在许多特殊环境中传统有线测量方式无法满足测试要求,如高温恶劣环境、轮胎和密封包装等密闭环境。而很多情况下需要获得这些环境下的温度、压力、加速度等参数来确保系统的正常运行[1-2]。无线无源LC传感器能通过无线耦合的方式获得传感器信息,减少了高温部分传感器与电路之间的连接,增加了传感器的稳定性,使得恶劣环境下的压力、温度等参数的测量成为可能[3-4]。同时,LC以无线的方式进行测量,避免了破坏产品的密闭性[5]。国内外针对无线无源LC传感器已经做了大量研究。Georgia Tech 的 Allen MG团队最早提出基于LTCC“三明治”结构的无线无源传感器[6],传感器最高工作温度为450 ℃。Uppsala大学的Sturesson P等人利用HTCC技术制作的LC压力传感器实现了1 000 ℃下的压力测试[7]。国内的中北大学在高温压力传感器方面做了大量研究工作,已经完成850 ℃高温下的压力测试[8]。但是无线无源LC传感器信号受温度影响,在测试中需要额外的温度测量设备进行温度补偿。

由于电磁场固有的特点,LC多参数传感器在测量时存在互感影响,影响测试结果的准确性。本文设计了一个基于LTCC的双参数无线无源传感器,传感器上两电感采用特殊结构,有效减小两电感之间的互感,从而使温度和压力参数独立测量。

1 传感器原理

本文设计的传感器基于LC谐振原理,其结构可简化成两个LC环路,每个谐振回路的谐振频率可以用公式[9-10]计算:

(1)

式中:L和C分别是谐振电路的电感和电容。本文设计的传感器信号读取集总电路模型如图1所示。

图1 传感器信号读取的集总电路模型

图1中,Ra和La为读取天线的寄生电阻和电感。R1、L1、C1分别为温度谐振回路的寄生电阻、电感和敏感电容;R2、L2、C2分别为压力谐振回路的寄生电阻、电感和敏感电容。M1和M2为天线和两个电感之间的互感;M12为温度和压力谐振回路之间的互感。因为基底材料的介电常数对温度敏感,两个电容都会随温度变化而改变,所以压力参数测量时需要对温度进行补偿。电容C2的两极板之间集成了一个密闭的空腔,当外界压力条件变化时会发生形变,最终表现为传感器压力敏感谐振频率随着外界气压变化而变化。网络分析仪向天线发送一定频率范围的扫频信号,天线周围产生一个交变磁场,天线与传感器内两个谐振回路产生互感,通过检测天线端阻抗参数的变化,就能实现对被测参数的无线读取[11-12]。天线端阻抗表达式可以表示成:

(2)

2 电感设计

多参数LC传感器测量时存在串扰现象,一个参数的谐振频率会随其他参数谐振频率变化而改变。减小电感的大小或者减少电感之间的正对面积就能有效减小因互感串扰带来的测量误差。为了减小两个电感之间的互感,传感器电感采用了如图2的结构设计,同时为了减小传感器尺寸,两个电感同轴正对放置[13]。

图2 电感结构

如图2所示,电感相邻两根导线反向缠绕,外圈电感大部分被内圈抵消,最终电感会变得很小,使得两电感之间的互感变得十分微弱。两电感之间的互感M为[13]:

(3)

式中:u0为真空磁导率,N是电感圈数,L为电感值,k为两个电感的距离与线距之比,当k非常大时M的值接近零。传感器电感具体参数如表1所示。

表1 传感器电感

3 传感器制作

传感器由传统的LTCC工艺制作而成,基底材料选用的是杜邦951低温共烧陶瓷,制作电路的材料为银浆料。先将LTCC生瓷带切片及打孔,并在空腔位置放置与空腔同等大小的碳膜,防止层压时空腔塌陷。利用丝网印刷技术在生瓷带的相应位置印制电路形状。将带有电路形状的生瓷带进行叠片层压,然后按照一定的升温曲线进行烧结,峰值温度为850 ℃。在烧结过程中,碳膜被氧化成CO2并且通过排气孔排出。烧结结束后,用直径约0.5 mm玻璃微珠对传感器空腔进行密封。LTCC生瓷片烧结时在X-Y方向有大约87%收缩率,最终的传感器尺寸约为29.2 mm×29.2 mm。传感器截面图如图3所示。

图3 传感器的横截面示意图

图4 传感器实物图

4 实验测试

传感器信号用安捷伦E5061B网络分析仪测量通过读取天线的阻抗信息获得,测试系统如图5所示。

图5 测试系统示意图

图6 室温下传感器信号随压力变化曲线

传感器与天线同时放置在压力可控的加热炉内,天线与传感器的距离为10 mm,中间由隔热材料隔开。传感器周围温度由MCU精确控制,在进行压力测试时传感器温度保持恒定。室温下测得传感器信号如图6所示。

为了防止仪器设备在高温下氧化,实验前对其进行了抽真空工作。实验过程中对传感器施加70 kPa到220 kPa的气压,外界压力使空腔变形,导致电容极板间距减小,电容值增大,传感器压力敏感谐振频率减小。同时电容增加使传感器品质因数降低,信号强度会随着压力增加略有减小。

传感器的最高测试温度为300 ℃,提取不同温度下压力敏感谐振频率变化曲线如图7所示,不同压力下温度敏感谐振频率变化曲线如图8所示。

图7 传感器压力测试曲线

图8 温度敏感谐振频率随压力变化曲线

压力和温度敏感电容都会随温度升高而增大,所以传感器的两个谐振频率会随温度的升高而变小。从测试结果可以得出,传感器压力敏感谐振频率随外界压力近似线性变化,压力灵敏度为-13.75 kHz/kPa。传感器温度灵敏度为-14.27 kHz/℃,灵敏度随温度升高而略有增加。传感器压力信号近似拟合公式为:

f=a+bT+cP

(4)

式中:T为温度,单位摄氏度。P为压力,单位kPa。a、b、c为曲线拟合系数,其值分别为85 361.97、-8.86、-14.27。在温度保持不变,只有压力变化的情况下,温度敏感谐振频率基本保持恒定。测试过程中温度敏感谐振频率最大的漂移为31.25 kHz,相当于引起2.2 ℃的温度误差,这说明温度敏感谐振频率受压力变化影响非常小。

5 结论

本文设计了一种基于LTCC的无线无源双参数传感器,能同时测试环境的压力和温度参数。温度参数对压力参数提供补偿,无需额外温度测试设备。传感器温度工作为室温到300 ℃,压力工作范围为0到220 kPa。传感器压力和温度的敏感谐振频率随各自的敏感参数近似线性变化。特殊的电感结构有效减小两个电感之间的互感,使得温度和压力参数之间几乎没有串扰影响。

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唐 顺(1990-),男,山东人,中北大学仪器与电子学院,研究方向为无线无源传感器,swayts@163.com;

谭秋林(1979-),男,湖南衡南人,教授,博士研究生导师,中国微米纳米技术学会高级会员,国际重要学术期刊Sensors and Actuators B,Optics Communications,Sensors 的通讯审稿人。主要研究方向为微纳气体传感器及系统、无源高温传感器及系统、柔性生物MEMS传感器及系统,tanqiulin@nuc.edu.cn。

A Wireless Passive Bi-Parameters Sensor Based on LTCC Technology*

TANG Shun1,2,WANG Haixing1,2,TAN Qiulin1,2*,SONG Ruijia1,2,WU Guozhu1,2,XIONG Jijun1,2
(1.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A wireless passive bi-parameter sensor based on low temperature co-fired ceramic(LTCC)technology is designed. Two LC(inductor-capacitor)resonant circuits are integrated on the sensor substrate,which are based on the LC resonant theory. The two capacitances are sensitive to the pressure and temperature parameters respectively. The two inductors are arranged in a coaxial arrangement with a special winding method to reduce the mutual inductance between them. A compound test platform of temperature and pressure is set up to do the related tests of the sensor. The maximum test temperature is 300 ℃. The temperature sensitivity of the sensor is -14.27 kHz/℃,and the pressure sensitivity is -13.75 kHz/kPa. The results show that this design can significantly reduce the mutual interference between the two parameters.

wireless passive;bi-parameter;LC sensor;LTCC;lumped circuit;mutual interference

项目来源:国家自然科学基金项目(61471324,51425505);山西省青年拔尖人才支持计划项目

2016-10-10 修改日期:2016-12-12

TP212

A

1004-1699(2017)04-0592-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.019