基于LTCC的新型高灵敏度陶瓷压力传感器的研制

刘红雨

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引 言

以陶瓷为代表的高温绝缘材料因具有较好的稳定性及机械弹性，在高温、高压等各种复杂恶劣环境下得到了广泛应用. 常规的MEMS传感器(如压力传感器，流量传感器，温度传感器等)采用硅作为敏感材料[1-4]. 然而，由于硅的材料属性，限制了其在150℃以上的环境中工作. 但是，近年来，随着高温绝缘材料的不断发展，低温共烧陶瓷(LTCC)因具有介电常数变化大、耐高温、集成度高等优点被应用于各个领域.

尽管LTCC集成技术优化了电容式压力传感器的制造工艺，但采用陶瓷材料作为压力敏感膜仍存在以下缺点： ① 由于陶瓷材料的弹性模量较大，韧性较低而导致灵敏度低； ② 由于陶瓷材料的刚度过高而导致寿命短、性能差； ③ 制造过程中LTCC敏感膜的变形影响因素大； ④ 由于LTCC胶带的厚度固定而导致难以薄膜化.

为了解决上述难题并提高传感器的性能，本文提出了一种新颖的LTCC陶瓷压力传感器的制备方法，该方法利用4J33 铁-镍-钴合金作为敏感膜材料，通过平行焊缝密封技术将4J33铁-镍-钴合金和LTCC陶瓷基板紧密焊接在一起. 最后，在室温环境下，对制造的传感器进行一系列的压力测试，以研究传感器的性能测试，并且进行了一系列压力研究，验证了传感器的灵敏度.

1 测量原理与结构设计

本文设计的传感器测量依据无线无源谐振遥测方案，通过电感间的无线耦合从外部读取器天线获取压力的变化，传感器再通过读取相关的电气特性如实记录压力变化. 感测系统的等效电路原理图如图 1(a) 所示，天线端等效阻抗[5，6]：

Zeq=j2πfLR(1+jk2Qs)=

(1)

式中：f，fs分别是传感器的激励频率和谐振频率；k是耦合系数；Qs是传感器的品质因数.

图 1 无线无源传感概念与压力传感器设计原理图Fig.1 The concept of wireless passive sensing and design principle of pressure sensor

传感器的工作原理是压力的变化转化为传感器共振频率的变化，通过检测传感器共振频率的变化即可精确地检测压力.图1(b)为压力传感器的原理图，该传感器包括集成在陶瓷基板上的固定电感L和变化电容C，以形成串联谐振电路.当外部气压与密闭腔中的气压不同时，压敏膜会发生变形，从而导致电容C和谐振频率fs发生偏移. 传感器的谐振频率

(2)

式中：Ls和Cs分别是传感器的等效电感和等效电容. 传感器的电气特性可以通过已建立的模型来确定，其中平面方形螺旋线圈的电感[7，8]

(3)

式中：n是电感线圈的匝数；din是内径；dout是外径；u0是真空的磁导率. 另外，当在传感器的敏感膜上施加压力时，传感器的电容[6，9]

(4)

式中：tg是腔的深度；ts是陶瓷带的厚度；ε0是自由空间介电常数，并且εr是相对介电常数；d0是膜的中心偏转.当在圆形板上施加压力时，与板厚相比，(d0≪tm).d0可以表示为

(5)

式中：a是圆形电极的半径；tm是合金膜的厚度；P是传感器外部的大气压；E是杨氏模量；v是泊松比. 根据前面的讨论，传感器的具体参数如表 1 所示.

表 1 传感器的相关参数Tab.1 The relerant parameter of sensor

2 制作过程

4J33铁-镍-钴合金是一种弹性材料. 当用作敏感膜时，4J33铁-镍-钴合金具有一些优点： ① 与陶瓷材料相比，4J33铁-镍-钴合金材料具有高韧性，高可靠性和高灵敏度； ② 4J33铁-镍-钴合金的杨氏模量更低，仅为139 GPa，并且与陶瓷具有相似的热膨胀系数(CTE)，约为6×10-6/℃； ③ 4J33铁镍钴合金材料在高温环境下的线性膨胀系数与LTCC材料相似，可以满足传感器高温应用需求； ④ 4J33铁-镍-钴合金膜可以加工成非常薄且平坦的表面，可以显著提高敏感膜的性能； ⑤ 4J33铁镍钴合金材料与LTCC材料具有良好的相容性，并且可以与LTCC材料很好地结合，这将确保传感器的腔体被密封.

为了使用LTCC材料和4J33铁-镍-钴合金成功制备压力传感器，本文采用一种新颖的工艺流程，实验证明该制造工艺是可行的. 具体制备步骤如下：

1) 打孔： 将Dupont 951生瓷带切成152.4 mm的正方形，并在80 ℃的干燥箱中放置约30 min进行预处理. 通过冲孔机制备传感器的对准孔，通孔和电容空腔，如图 2 所示. 对准孔用于精确地层压流延带，通孔用于在陶瓷流延层之间建立金属连接.

图 2 生瓷片打孔定位图Fig.2 Punch location drawing of raw porcelain chip

2) 填充： 打孔过程完成后，将杜邦6142D银浆利用填充机填充通孔，来实现不同层间电感和电容之间的金属互连，如图 3 所示.

图 3 填充示意图Fig.3 The diagram of filling

3) 丝网印刷： 填充完成后，使用丝网印刷机印刷电感线圈和电容器，如图 4 所示. 印版设置为250，这有利于电感线圈的印刷. 由于生瓷带和印刷图案在丝网印刷板上的固定位置重合，因此可以确保它们对齐. 然后，按照之前的设计，将金属板(作为电容器板)和周围的螺旋金属线(作为平面电感器)丝网印刷在生瓷带上. 印刷后，将带有6142D Ag浆的陶瓷带放入120 ℃的空气干燥箱中约5 min以进行热处理.

图 4 丝网印刷示意图Fig.4 The diagram of screen printing

4) 层压： 将生瓷带放入等静压层压机中进行层压，如图 5 所示. 根据设计要求，将所有生瓷带堆叠在一起，并在21 MPa的压力下层压15 min. 然后，将多层生瓷带紧密地粘合在一起，以形成无法分离的陶瓷基底.

图 5 层压示意图Fig.5 The diagram of laminating

5) 共烧： 层压后，将陶瓷基板放入70 ℃的干燥炉中约10 min进行热处理. 使用切割机将陶瓷基板切割成所需尺寸. 然后，将陶瓷基板放入箱式炉中，在850 ℃的峰值温度下烧结50 min，以熔化玻璃基体，总烧制时间约为750 min，以固化陶瓷基板. 具体的烧结固化曲线如图 6 所示.

图 6 固化曲线Fig.6 Solidification curve

6) 平行接缝密封： 共烧后，陶瓷带形成一个完整的陶瓷结构，如图 7(a) 所示. 陶瓷基板不是完整的压力传感器，电容空腔结构仅由电容器板组成. 为了使4J33铁-镍-钴合金作为敏感膜，通过冷轧、抛光制造工艺将其制成井盖型薄膜. 缝焊前，将铁镍合金表面的氧化物，污垢，油污及其他杂质彻底清除，并将4J33铁-镍-钴合金放入800 ℃ 的真空炉中约40 min进行预处理. 在陶瓷基板与合金膜之间的部分镀金，这有利于使用平行缝封口机将金属膜和陶瓷基体紧密连接在一起. 并且，缝焊过程是在真空环境中进行的，可以减少氧气含量并防止传感器受到外部环境的影响. 在缝焊过程中，焊接压力控制在8 N左右，可以使陶瓷和合金紧密接触.

密封过程完成后，如图 7(b) 所示，通过在陶瓷基板上的LC串联谐振电路来完成压力传感器的制备. 当外部压力施加到敏感膜上时，金属膜片将根据压力发生弯曲.

图 7 (a) 没有完全密封腔的陶瓷基板，(b) 传感器样品Fig.7 (a) Ceramic substrate without a fully sealed cavity, (b) Sensor sample

3 结果与讨论

图 8 为表面轮廓仪对传感器样品的测量结果. 可以看出，敏感膜很平坦，它的最大变形仅约3 μm，小于Xiong研究的LTCC传感器的变形[8]. 原因是由陶瓷材料制成的敏感膜在高温共烧和层压期间会变形，并且膜的变形会随着空腔尺寸的增加而增加. 相比之下，传感器的敏感膜建议采用本文平行接缝密封技术制造，可避免因高温共烧和层压导致的变形.

为了分析传感器的灵敏度，使用阻抗分析仪E4991A，无线检测传感器的阻抗/相位. 在压力测试平台上对传感器进行了一系列压力测试，并且随着阻抗/相位的变化，无线监测测试容器中的压力信号. 测试结果如图 9 和图 10 所示.

图 8 敏感膜样品形变测试图Fig.8 Deformation test of sensitive film sample

图 9 阻抗/相位曲线相对压力Fig.9 Impedance/phase curve relative pressure

图 10 传感器的共振频率相对压力Fig.10 Resonant frequency of the sensor relative to pressure

从图 9 中可以观察到传感器具有良好的压力响应，并且随着压力的增加，传感器的相位曲线向左移动. 经过多次重复的压力实验，制成的传感器显示出比以前的LTCC压力传感器更高的响应度，并且在正常大气压和100 kPa之间具有线性特征响应，如图 10 所示. 该传感器的响应度约为13 kHz/kPa. 根据测量结果可以得出结论，传感器的重复性误差、磁滞误差和非线性分别约为4.30%，2.21%和1.80%.

图 11 中，A定义为频率比，B定义为压强灵敏度.A和B是传感器表征为压力的参数，本文设计的压力是灵敏度为466 ppm/K. 从图 11 可以得出结论，新传感器的性能要优于以往的LTCC传感器. 原因是4J33铁-镍-钴合金金属膜的性能优于LTCC材料，并且由4J33铁-镍-钴合金金属膜制成的传感器的电容器极板对压力更敏感. 将来，可以通过增加电容板的尺寸以及减小敏感膜的厚度来优化传感器的灵敏度.

图 11 传感器共振频率与压力的相对变化Fig.11 The relative change of the sensor resonance frequency relative to the pressure

4 结 论

本文主要研究了一种用于提高传感器灵敏度的新颖传感器制造技术. 为了提高传感器的性能，使用LTCC技术，将电容器板和电感线圈串联，集成在陶瓷基板上. 使用平行焊缝密封技术，将4J33铁-镍-钴合金(作为敏感膜)和陶瓷基板紧密焊接在一起. 实验结果表明，所制造的传感器在正常大气压和100 KPa之间实现了线性特征响应. 传感器的灵敏度高达466 ppm/kPa. 所制造传感器的重复性误差、滞后误差和非线性度非常低，分别约为4.30%，2.21%和1.80%.