基于LTCC技术的无源气压传感器研制

2017-06-01刘红雨李姗泽王颖麟李俊

电子与封装 2017年5期

关键词：层压空腔极板

刘红雨，李姗泽，王颖麟，李俊

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024）

基于LTCC技术的无源气压传感器研制

刘红雨，李姗泽，王颖麟，李俊

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024）

介绍基于LTCC技术的无源气压传感器的基本原理和理论模型，主要制作工艺流程和关键工艺难点。研究了LTCC内埋型空腔的实现方法、牺牲层材料的选取和依据，并对无源气压传感器的理论模型进行仿真分析与实际测试。结果表明利用LTCC内置空腔技术研制的气压传感器测试结果与仿真分析吻合较好，谐振频率随外界压力的增大而减小，谐振频率随压力的变化近似于线性变化，在复杂环境内依然能够实现预期功能。

LTCC；内埋型腔体；气压传感器

1 引言

随着现代电子技术的发展，人们要求电子产品的体积越来越小、重量越来越轻，可靠性的要求也越来越高，特别是在机载、舰载和星载等特殊应用场合。LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramics）技术灵活的腔体结构形式使其在高密度集成方面显示了优势。本文利用LTCC技术在高温、高湿等恶劣环境下的优异性能和灵活的腔体工艺，设计了基于LTCC技术的无源气压传感器，使其在复杂环境下仍可保持高精度和高可靠性。

2 气压传感器原理及设计

本文设计的基于LTCC技术的无源气压传感器的基本构成是可变电容和电感线圈组成的串联LC谐振电路[1]，当产生谐振时，传感器的谐振频率为：

在外界气压作用下，电容的极板间距d变小，导致式（1）、（2）中电容Cs变大，保持电感线圈Leq不变，则传感器的谐振频率f也将改变。因此，通过检测传感器谐振频率的变化，通过式（1）、（2）可以换算出外界测试气压的大小。气压传感器的基本结构模型如图1所示[2]。

图1 气压传感器的基本结构模型

基于LTCC技术的无源气压传感器耦合系统的等效电路如图2所示，在信号测试端输入扫频的交变信号，通过读取天线把扫频信号通过电磁场的形式辐射出去，耦合到传感器的电感线圈端[3～5]，当扫频信号的频率与传感器的谐振频率相同时，会引起传感器谐振，由于传感器和读取天线的电感线圈存在互感耦合，传感器的谐振会引起读取端天线的输入阻抗、相位、电压发生明显变化，这些参量的明显变化点就是传感器的谐振点，通过对这些参量的检测可以得到传感器的谐振频率。

图2 气压传感器耦合系统的等效电路

3 LTCC气压传感器仿真分析与结构设计

对LTCC气压传感器模型进行ANASY仿真，仿真参数根据图1所示的气压传感器的基本结构模型以及LTCC材料的基本参数确定。当LTCC气压传感器的电容上极板分别受到2个大气压作用时，上极板应力的变化如图3所示。

图3 2个大气压作用下的电容极板应变

当电容上极板分别受到2个大气压时，上极板挠度的变化如图4所示。

图4 2个大气压作用下的挠度变化

4 气压传感器生产工艺

根据串联LC谐振电路原理，采用LTCC工艺制备无源气压传感器，我们将银浆通过丝网印刷的方式分别印刷在上下两层生瓷片上，作为LC谐振电路中电容的上下两极；同样利用丝网印刷的方式在DuPont951型生瓷片上印刷出螺旋形导带作为LC谐振电路中的电感。设计的电感线圈匝数为8圈，电感线圈间隙为0.6 mm，线圈宽度为0.3 mm，电容极板为7 mm×7 mm的方形极板，根据测算，平面螺旋总电感的值固定为2.25 μH。选用DuPont951型生瓷片作为气压传感器基底材料，采用全银系金属化导通工艺，DuPont951型生瓷片材料的基本参数如表1所示。

表1 DuPont951型瓷片材料的基本参数

LTCC无源气压传感器的主要工艺流程如图5所示。

图5 LTCC无源气压传感器主要工艺流程

LTCC无源气压传感器的研制过程中，切片、冲孔、通孔填充、丝网印刷等工序均使用LTCC的传统工艺，要求冲孔精度高，通孔填充饱满、无溢出，通孔互联性好，金属通孔互连偏差小于40 μm；印刷线条准确无毛刺、粘连和断开，叠片准确整齐。LTCC无源气压传感器的典型尺寸为20 mm×20 mm，厚0.5 mm×0.5 mm。

LTCC无源气压传感器与传统的LTCC基板和器件不同的是其基板结构不是常见的通腔或是阶梯腔，而是内埋型腔体。内埋型腔体基板的制造不同于常规腔体，特别是在腔体填充与层压以及烧结阶段。其结构上的特殊性要求制造技术必须做出相应的调整。如果处理不当会导致腔体制造失败，甚至导致整个基板失效。

5 关键工艺研究

LTCC无源气压传感器研制的关键工艺是腔体填充、层压和烧结。按LTCC基板制造工艺流程，LTCC腔体在经过高压等静压层压和共烧这两道工序后，产生变形是不可避免的，LTCC的腔体在高压层压和烧结时，腔体会产生变形，随着温度升高，腔体变形量变大，如图6所示[6]。

图6 LTCC腔体共烧时的变化

本文关注的主要是确保LTCC无源气压传感器的内埋型空腔气密性完好，器件表面平整、无鼓包、塌陷现象，腔体形貌达到设计要求。

在LTCC器件制备过程中，为了减少腔体的变形，一般采用填充材料填入空腔，在层压和烧结过程的排胶阶段起支撑腔体作用。无论单腔或阶梯腔，由于其腔体结构是开放的，在层压和烧结后，腔体填充材料易于取出，对于本文中设计的含有内埋空腔的LTCC器件，填充材料考虑的重点是不但要保证层压时腔体不变形以及在烧结时与LTCC基板的收缩率匹配问题，还要求填充材料在烧结后易于去除。

符合上述要求的牺牲层材料主要有石蜡、聚合物以及其他碳基材料等。石蜡主要用于铸造行业，且熔点较低，显然不适合作为腔体支撑材料；聚合物材料的熔点一般在200～400℃，而LTCC多层基板烧结时在600℃以上才明显收缩，这时牺牲层材料早已挥发掉了，失去支撑的腔体还是会变形，导致腔体出现塌陷，作为电容上下两极板的腔体上下表面贴合在一起，无法随气压变化产生极板距离变化，达不到测试目的，器件生产失败，如图7所示。

图7 未添加合适牺牲材料烧结后的空腔

图8 添加碳基材料烧结后的空腔

碳基材料在800℃时才烧尽，在600～800℃时对腔体的支撑作用尚在，因此碳基材料最适于LTCC内埋腔体的制作工艺。图8为填充了合适的碳基材料后烧结完成后的腔体状态，气室结构完整，经过剖切测量，腔体电容上下极板距离为0.5 mm，符合设计要求。

6 LTCC压力传感器样品测试分析

随着气压的不断变化，气压传感器的电容不断发生变化，气压传感器的受力情况转换为电信号耦合到附近的天线中去，导致阻抗分析仪测得的谐振频率不断变化，通过对变化的频率进行分析推算出压力的变化情况，最终完成压力的测试。

利用外部天线和安捷伦E4991阻抗分析仪对试样传感器进行测试，当传感器受压后由阻抗分析仪测得传感器的频率相位图，如图9所示。

图9 传感器受到应变后的频率响应

通过对比理论计算、仿真分析以及仪器测量的结果，能够证明利用LTCC内置空腔技术研制的气压传感器测试结果与仿真分析吻合，测试重复度较好，能够实现预期功能。

烧结后的LTCC无源气压传感器实物照片如图10所示。

图10 LTCC无源气压传感器实物照片

7 结论

本文提出了一种基于LTCC技术的无源气压传感器，该传感器利用LTCC材料的高温特性，解决了传统传感器在高温、高湿等恶劣环境中性能退化的问题，非常具有参考价值。通过LTCC工艺技术对空腔填充碳基材料，有效地解决了陶瓷生片在层压过程中发生腔体塌陷的问题。

[1]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2]杜雪亮，戴华平，吴烈.无源电感耦合式射频识别系统天线的设计和优化[J].江南大学学报(自然科学版),2004,3 (6):566-569.

[3]耿淑琴，郭跃，吴武臣.无源电感耦合式RFID读写器天线的优化设计[J].电子器件,2008,31(2):564-567.

[4]康昊，谭秋林，秦丽，李晨，丁利琼，张献生.基于LTCC的无线无源压力传感器的研究[J].传感技术学报，2013，26（4），498-501.

[5]李晨，熊继军，谭秋林，康昊，葛斌儿，王伟.基于LTCC技术的电容式无源压力传感器制备[J].传感器与微系统，2013，32（6）：95-97.

[6]李有成，李海燕，王颖麟.LTCC腔体及微流道制作技术[J].电子工艺技术，2014，35(1):22-26.

Development of LTCC-based Passive Atmospheric Pressure Sensor

LIU Hongyu,LI Shanze,WANG Yinglin,LI Jun
（China Electronics Technology Group Corporation No.2Research Institute,Taiyuan030024，China）

In the paper,the basic principle and theoretical model of passive atmospheric pressure sensor based on LTCC technology,the main process and the key technology are presented.The paper mainly studies the realization method of LTCC buried cavity and the selection principles of sacrifice layer material.Then the simulation analysis and test are performed.The result shows that the structure of the atmospheric pressure sensor based on LTCC is relatively consistent with the simulation analysis.The resonant frequency decreases with the increase of external pressure.The resonant frequency linearly changes with the pressure.In the complex environment,the sensor is stillfunctional.

LTCC;buried cavity;atmospheric pressure sensor