LTCC高温压力传感器温漂特性研究*

罗　涛,谭秋林*,熊继军,纪夏夏,王晓龙,薛晨阳,张文栋

(1.电子测试技术重点实验室,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)

LTCC技术在近些年得到了飞速发展[1-3]。该技术起初是用来制造多层基板,由于技术成熟、工业化程度高以及应用广泛等特点,LTCC技术已经成为了当前无源器件和系统集成的主流技术[4]。LTCC主要采用低温(800 ℃～900 ℃)烧结瓷料与有机粘合剂/增塑剂按一定比例混合流延而成,由于其具有优良的电学、机械、热学及工艺特性,目前,LTCC技术被越来越多的应用在传感器、执行器和微系统中[5-6]。LTCC技术应用在传感器制造中的典型即为LTCC压力传感器,由于其能应用在高温、高湿和强振环境中,对LTCC压力传感器的研究主要面向自动化、军工、航空和航天等领域[7-9]。

基于LTCC技术的无线无源压力传感器最早始于Georgia Tech的Allen MG团队,他们最早于1998年提出了“三明治”结构的LTCC压力传感器[10]。之后赛尔维亚的一个研究小组对结构做了改进[11],同时也对基于LTCC的传感器做了大量的研究工作。国内在基于LTCC技术的压力传感器上起步较晚,中北大学从2012年起在LTCC无线无源压力传感器方面做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果[12-13]。

通常需要对面向高温环境应用的传感器件和系统在结构和算法上进行温度补偿,温漂特性研究作为温度补偿的基础和依据,具有重大意义。本文进行了LTCC无线无源压力传感器的温漂特性研究,通过对比实验和理论推导,确定了造成传感器温漂的主要影响因素,为温度补偿结构和算法的实现提供了参考依据。

1　传感器原理与结构

基于谐振耦合原理,LTCC无线无源压力传感器通过外部天线与传感器天线的近场耦合,实现压力信号的实时读取。其耦合模型如图1中所示。图1中La为读取天线的电感,Ra为读取天线的寄生电阻,对应有Ls为传感器天线的电感值,Rs为传感器的寄生电阻,Cpar为传感器线圈的寄生电容,Cs为压力敏感电容,在压力作用下Cs改变,导致传感器谐振频率f0变化。f0的表达式为:

(1)

图1　耦合系统模型

在天线端输入覆盖传感器谐振频率的扫频信号,通过提取天线端的阻抗参数,如阻抗实部和相位,即可实现对传感器谐振频率变化的提取,从而可以无线读取到压力信号的变化。当扫频信号频率与传感器频率相同时,发生电磁谐振,谐振导致天线端的阻抗参数出现突变,因此通过提取天线端的阻抗参数便可实现对传感器谐振频率的检测。通过提取天线端阻抗相位最小值来实现传感器谐振频率检测的原理可由如下公式表示[14]:

(2)

其中fmin为天线端阻抗相位最小值所对应的频率值,k读取天线与传感器天线的耦合系数,取值范围为0到1,Q为传感器的品质因素,其值通常为30左右。因此,在读取距离较远时,k很小,而Q值又相对较大,根据式(2)可以近似认为fmin=f0。

图2　传感器结构及实物照片

图2为LTCC无线无源压力传感器的结构示意图和实物图。采用多层互联技术,实现了电感线圈与平行板电容的互联,玻璃微珠的作用是封堵排气孔。在制造过程中,我们在空腔内填充了牺牲层,这样可以保证空腔的平整度和传感器的灵敏度,因此排气孔的作用是便于在烧结过程中碳膜的充分释放。在压力的作用下,空腔两侧的敏感膜发生变形,致使平行板电容值Cs变化,从而引起传感器谐振频率的变化。

2　高温测试

为了研究LTCC无线无源压力传感器的高温特性,我们搭建了如图3所示的高温测试系统。用钨丝绕成线圈天线,将传感器与钨线圈保持位置固定,伸入马弗炉内。从钨线圈的两端引出钨丝接在网络分析仪上,从而可以实时读取随炉内温度变化的传感器谐振频率值。对LTCC压力传感器在600 ℃和一个大气压内的测试曲线如图4所示。从图4可以看出,无压力作用时,随温度升高,传感器谐振频率减小,在600 ℃时,传感器的谐振频率由常温26.34 MHz减小到了23.6 MHz,变化了2.74 MHz,远大于在一个大气压力作用下0.66 MHz的频率减小值。

图3　高温测试系统

图4　LTCC压力传感器温度响应特性曲线与压力响应特性曲线

为了研究造成LTCC压力传感器温漂的主要因素,制作了基于LTCC衬底的片上螺旋和无腔LTCC传感器,该无腔传感器线圈尺寸与片上电感尺寸相同。无腔LTCC传感器结构示意图如图5所示。

图5　无腔LTCC传感器

采用无腔LTCC传感器进行对比测试,排除了敏感膜变形对频率漂移的影响。图6为无腔传感器的谐振频率温度特性测试曲线。图6中数据表明,无腔传感器仍存在明显温漂,可见造成传感器温漂的主要因素并非敏感膜形变。

图6　无腔传感器的高温测试数据

图7为LTCC基片上螺旋电感的高温测试结果。图7中的测试结果表明,温度对传感器电感值和寄生电容的影响很小,在600 ℃时,电感值的相对变化率为7.53%,寄生电容的相对变化率为5.51%。

图7　电感和寄生电容高温测试数据

3　温漂特性分析

假设平行版电容Cs不随温度变化,根据式(1)可以反推出平行板电容Cs的表达式为:

(3)

将常温下测试所得谐振频率、电感和寄生电容值代入式(3)可得常温下Cs的值为97.02 pF。假设Cs=97.02 pF随温度保持不变。由式(1),则有谐振频率f0的变化仅与Ls和Cpar有关,在假设条件下,将图7中随温度的测试数据代入式(1)中计算所得谐振频率温漂与图6中数据对比如图8所示。

图8　假设条件下的谐振频率温漂与实测结果的比较

依据平行版电容Cs不变假设计算所得频率在600 ℃时变化了0.442 53 MHz,占实际测试变化值的34.8%。由此可见,电感和寄生电容值的变化不是造成传感器温漂的主要因素,从而确定传感器的温漂主要受平行板电容值变化的影响。根据平行板电容的计算公式,无腔传感器平行板电容Cs可以表达为:

(4)

其中,ε0为真空介电常数,其值为8.85×10-12F/m。εr为LTCC材料的相对介电常数。A电容极板面积,t为极板间距。在无腔传感器中,A和t受结构热膨胀的影响,杜邦951 LTCC材料的热膨胀系数为5.8×10-6/℃,通过计算可得,在600 ℃时A与t的比值相对于常温增大了0.000 58%,因此,热膨胀造成的结构几何参数的改变可以忽略不计。因此,可以确定平行板电容值的变化主要受LTCC材料相对介电常数变化的影响。

依据片上平面螺旋电感寄生电容的计算方法,传感器的寄生电容可以表达为[15]:

(5)

在式(5)中,εr0为真空相对介电常数,取值为1;εr为LTCC衬底的相对介电常数,其值随温度变化;α和β是经验常数。tc为导线厚度,s为线间距,lg为线圈总长度,tc、s以及lg为线圈几何参数值,其取值受热膨胀的影响可以忽略不计。因此,寄生电容的变化也是由于LTCC材料相对介电常数变化所引起的。

将图6和图7中数据代入式(3)中,可以计算出Cs随温度变化的值。用εr(T)表示LTCC材料在温度为T时的相对介电常数值,εr(0)表示常温时LTCC材料的相对介电常数值,对于杜邦951 LTCC材料,有εr(0)=7.8。由式(4)可推导得出:

εr(T)=εr(0)·Cs(T)/Cs(0)

(6)

其中Cs(T)为温度为T时所对应的平行板电容值,Cs(0)为常温下的平行板电容值,等于97.02 pF。由式(6)计算所得杜邦951 LTCC材料相对介电常数随温度变化的数据如图9所示。

图9　杜邦951 LTCC材料相对介电常数温度特性

综合以上分析,可得传感器温漂主要受LTCC材料的相对介电常数εr变化的影响。

从图9所示数据,可得在600 ℃时,杜邦951 LTCC材料的相对介电常数由常温7.8增大到9.04。因此,可以看出利用杜邦951 LTCC材料制备的无线无源压力传感器的温漂主要受材料在高温下相对介电常数变化的影响。

4　结论

本文研究了LTCC无线无源压力传感器的温漂特性。搭建高温测试系统,制作了LTCC基片上螺旋电感和无腔传感器,通过对比实验,得出了LTCC无线无源压力传感器的温漂主要受LTCC材料相对介电常数变化的影响。通过实验数据分析,通过计算推导得出了杜邦951 LTCC材料在600 ℃内的相对介电常数温度曲线。结果表明,杜邦951LTCC材料的相对介电常数在600 ℃时由常温的7.8增大到9.04。

测试结果表明LTCC无线无源压力传感器在实际工程应用中须具有相应的温度补偿方法,能从结构和算法上对传感器温漂进行补偿,本文的研究结论为后续的温度补偿技术研究奠定了基础。

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罗涛(1990-),男,湖南澧县人,硕士,中北大学仪器与电子学院,研究方向为无线无源传感器,18935157540@163.com;

谭秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,副教授,中北大学学术带头人,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。研究方向为光学气体传感器及检测技术、无线无源微纳传感器及微系统集成技术、无线传感器网络及射频技术、数据采集及存储技术,tanqiulin.99@163.com。