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一種高靈敏度無線壓力傳感器的研究 為解決壓力傳感器在密閉空間、高旋、生物體內(nèi)等不適用引線的問題，設(shè)計(jì)了一種無線壓力傳感器。 對(duì)傳感器進(jìn)行原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用 ＭＥＭＳ工藝對(duì)硅片及 BF33進(jìn)行加工，并搭建了諧振頻率－壓力測(cè)試平臺(tái)，對(duì)傳感器性能進(jìn)行測(cè)試。 壓力測(cè)試范圍為 ５～ 105ｋＰａ，在常溫時(shí)的靈敏度為161.5Ｈｚ／Pa，傳感器具有較高的靈敏度，有利于提高壓力檢測(cè)精度。 ０ 引言 壓力測(cè)量對(duì)于軍用、民用等領(lǐng)域有著迫切的需求，壓力傳感器的研制在生產(chǎn)中有著重要的意義［１］ �，F(xiàn)有壓力傳感器基本通過引線進(jìn)行測(cè)量，但對(duì)于密閉空間、高旋及生物體內(nèi)等應(yīng)用場(chǎng)合難進(jìn)行引線［２］ 。 基于ＬＣ諧振的無線壓力傳感器能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，解決引線封裝中電氣連接部分的技術(shù)難點(diǎn)，確保傳感器的工作性能。 國(guó)內(nèi)主流 ＬＣ 諧振壓力傳感器多用共燒陶瓷制備 ＬＣ 諧振無線壓力傳感器［４］ ，其制作尺寸較大，靈敏度較低，李瑩［３］ 制作的傳感器靈敏度約30Ｈｚ／Ｐａ，對(duì)后續(xù)檢測(cè)電路要求高。 另外電感線圈通過金屬漿料燒結(jié)而成，其圖形精度較低且不容易控制，且電感制作在電容腔外部，電性結(jié)構(gòu)容易被氧化、腐蝕或者物理破［５］ 。 本文提出一種高靈敏度無線壓力傳感器，本結(jié)構(gòu)采用 ＭＥＭＳ工藝制備，設(shè)計(jì)尺寸更小，并且電性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在密封腔內(nèi)，能夠得到有效的保護(hù)。
無線壓力傳感器的諧振子由一個(gè)電容和一個(gè)電感串聯(lián)而成， 從而使電容由直接測(cè)量變?yōu)殚g接測(cè)量［６］ 。 當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器感壓膜發(fā)生形變，制作在感壓膜上的電容上極板也發(fā)生變化，電容上下極板間距隨之變化，從而改變電容值的大小，進(jìn)而使傳感器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振頻率與電容電感的關(guān)系為
式中 Ｌｓ及 Ｃｓ分別為傳感器的電感和電容。 平面電感、可變電容與等效電阻構(gòu)成諧振回路，諧振回路信號(hào)強(qiáng)度用品質(zhì)因子表示，品質(zhì)因子 Ｑ 為
式中 Ｒｓ為傳感器 ＬＣ 回路等效電阻。 傳感器信號(hào)傳輸通過互感耦合實(shí)現(xiàn)無線連接，以獲取諧振頻率信息，其檢測(cè)原理如圖 １ 所示。 檢測(cè)設(shè)備連接外部檢測(cè)電路及耦合電感，當(dāng)耦合電感靠近傳感器時(shí)，傳感器的能量和信號(hào)通過互感耦合方式傳輸在耦合回路中，得到傳感器阻抗變化量，從阻抗分析儀端口得到的阻抗表達(dá)式為 其實(shí)部表達(dá)式為
在傳感器發(fā)生諧振時(shí)，其阻抗為為純電阻，這時(shí)耦合輸出端達(dá)到最大值，阻抗實(shí)部出現(xiàn)極值，通過檢測(cè)極值所對(duì)應(yīng)的諧振頻率，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)壓力值的變化。 進(jìn)一步推導(dǎo)取得最大值的頻率點(diǎn)為
極值頻率點(diǎn)與傳感器諧振點(diǎn)有一定偏差，當(dāng)器件Ｑ 值較大時(shí)兩點(diǎn)基本等同。 １.２ 電感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了防止電感線圈出現(xiàn)應(yīng)力集中，線圈形狀設(shè)計(jì)為圓形，如圖 ２ 所示。
圖 ２ 電感結(jié)構(gòu)示意圖 圖中 ｄｏｕｔ為電感線圈的外徑，ｄｉｎ為線圈內(nèi)徑，ｓ 為線間距，ｗ 為線寬。 電感的常用理論計(jì)算方法有修正后的 Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式、電流層近似法以及單項(xiàng)數(shù)據(jù)擬合表達(dá)式 ３ 種方法［９］ ，其中修正后的 Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式表述簡(jiǎn)單且被證明與電感實(shí)測(cè)值最接近，依據(jù)該方法電感的計(jì)算公式如下：
式中：ｎ 為線圈的匝數(shù)；μ０ ＝ ４π× １０－７；ｄａｖｇ 為線圈的平均直徑；ｄｏｕｔ為電感線圈外徑；ｄｉｎ為點(diǎn)電感線圈內(nèi)徑；設(shè)計(jì)圓形電感的 Ｋ１ 為 2.23，Ｋ２ 為3.45 。 設(shè)計(jì)平面電感 的外徑為9100μｍ，線寬為200μｍ，線間距為40μｍ，線厚度為7.5μｍ，圈數(shù)為12圈，通過Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式計(jì)算圓形平面電感的電感值為0.984μＨ。 1.3電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電容受壓變形示意圖如圖３所示，當(dāng)外界壓力改變時(shí)，感壓膜最大撓度也相應(yīng)改變。
圖 ３ 電容結(jié)構(gòu)示意圖 圖中ｒ?yàn)楦袎耗ぐ霃�，ｔ為感壓膜厚度，ｄ為電容腔高度，ｐ為感壓膜受到的壓力載荷，ω 為感壓膜的撓度變化。 對(duì)于硅材料來說中心最大撓度為
式中 Ｅ、υ 為材料的楊式模量和泊松比。 感壓膜其他點(diǎn)的撓度可以表示為
由上式可知，當(dāng)感壓膜受到外界壓力而變形時(shí)，感壓膜中心的撓度最大，其他各點(diǎn)的撓度隨其與中心距離的增大而減小。 在受到外界壓力作用時(shí)，感壓膜能承受的最大應(yīng)力為
在設(shè)計(jì)電容結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意感壓膜最大承受應(yīng)力小于硅材料的屈服應(yīng)力。 為了保護(hù)電感結(jié)構(gòu)，將電容電感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在密封腔內(nèi)，所以密封腔直徑應(yīng)比電感外徑略大。 考慮到測(cè)試需求，設(shè)計(jì)傳感器的諧振頻率應(yīng)大于 １０ ＭＨｚ，同時(shí)隨著膜厚的增加，感壓膜形變量變小，靈敏度降低，極板間距的增加也會(huì)減小靈敏度。
圖 ４ 傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 ２ 傳感器的制備 由于Ｓｉ為半導(dǎo)體，若電感制備在Ｓｉ上會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電容，從而影響傳感器性能，故將電感結(jié)構(gòu)制備在ＢＦ３３玻璃上。 由于金的電阻率小，且抗腐蝕性強(qiáng)，金線圈有利于表面清洗，所以采用電鍍金的方法制備電感線圈。 Ｓｉ 通過 ＩＣＰ 刻蝕行程感壓膜結(jié)構(gòu)，具體制作過程如圖 ５ 所示。 １－５ 步在硅片上進(jìn)行，取硅片先后采用丙酮、酒精超聲、３＃液進(jìn)行化學(xué)清洗，在其中一面通過 ＰＥＣＶＤ 沉積二氧化硅作為刻蝕掩膜。 ＢＰ２１２ 光刻電容腔圖案，采用 ＢＯＥ 腐蝕 ＳｉＯ２ 進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移，通過 ＩＣＰ 刻蝕４２ μｍ 形成電容密封腔，將光刻膠及氧化硅去除干凈。 在硅上進(jìn)行 ＡＺ４６２０ 光刻金屬電極圖案，再沉積２００ ｎｍ 金屬鉑，通過 ｌｉｆｔ⁃ｏｆｆ 工藝剝離多余圖形的金屬，形成金屬電容上極板。 ６－９ 步在 ＢＦ３３ 上進(jìn)行，首先對(duì) ＢＦ３３ 進(jìn)行化學(xué)清洗，并沉積電鍍種子層。 ＡＺ４６２０ 光刻電鍍區(qū)域圖形，再電鍍 ７．５ μｍ 金，電感線圈中心為電容下極板，通過丙酮去除光刻膠并用 ＲＩＥ 刻蝕種子層完成 ＢＦ３３ 片上的工藝。 第 １０ 步將硅片和 ＢＦ３３ 進(jìn)行陽極鍵合，對(duì)鍵合片的硅面進(jìn)行減薄，再對(duì)鍵合片進(jìn)行劃片，完成傳感器的制備，劃片后單個(gè)敏感芯片的尺寸為 １１ ｍｍ×１１ ｍｍ×０．６６ ｍｍ。 ３ 傳感器性能測(cè)試 為了對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，搭載諧振頻率－壓力測(cè)試平臺(tái)，如圖 ６ 所示。 諧振頻率－壓力測(cè)試平臺(tái)主要由 Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ５０６１Ｂ網(wǎng)絡(luò)分析儀、Ｄｒｕｃｋ ＰＡＣＥ６００ 壓力控制儀、真空泵、壓力腔組成。 機(jī)械泵與壓力控制儀相連，通過壓力控制儀控制壓力腔內(nèi)的壓力。 耦合芯片與傳感器貼合裝入壓力腔內(nèi)，耦合電感兩端通過漆包線與測(cè)試線相連，在網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取阻抗實(shí)部極值對(duì)應(yīng)諧振頻率完成數(shù)據(jù)測(cè)試。 電容值與上下電極之間距離之間的關(guān)系是非線性關(guān)系，壓力與電容的關(guān)系也是非線性的，諧振頻率與壓力的關(guān)系也是非線性的。 傳感器大氣環(huán)境的諧振頻率為46.95ＭＨｚ，靈敏度為161.5Ｈｚ／Ｐａ，具有較高的靈敏度。 圖 ７ 諧振頻率－壓力測(cè)試曲線 參考文獻(xiàn)： [1]張建軍，張建軍，張建軍，等⁃聚微系統(tǒng)[J]。IEEE學(xué)報(bào)，中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2006,31(6):1138-1159。 [2]劉瑾，歐文，高璇。MEMS無源無線壓力傳感器的研究[J]。儀表技術(shù)與傳感器，2013(11):4-6。 [3]李穎。LTCC高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)[J]。感覺微生物學(xué)與微系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013,32(4):101-102。 [4]李晨，譚強(qiáng)，薛晨，等。一種高性能的LC無線采用低溫co .制造的無源壓力傳感器燒結(jié)陶瓷(LTCC)技術(shù)[J]。傳感器，2014,14(12): 23337-23347。 [5]鄭超，李偉，李愛玲，等。中國(guó)的設(shè)計(jì)和制造基于LC諧振的無源壓力傳感器[J]。Mi⁃機(jī)械工程，2016,7(5):87。 [6]董玲，王麗芳，黃慶安。多路徑的實(shí)現(xiàn)采用LC型無源無線傳感器進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)通過特殊繞組堆疊電感器[J]。互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報(bào)，2015,2(2):168-174。 [7]李海燕，崔斌，金山，等。靈敏度⁃增強(qiáng)信用證無線膀胱壓力傳感器監(jiān)測(cè)[J]。傳感器學(xué)報(bào)，2016,16(12):1-1。 [8]陳培軍，陳志強(qiáng)，陳志強(qiáng)，等。無線眼內(nèi)微加工微創(chuàng)壓力傳感技術(shù)柔性線圈型LC傳感器的植入[J]。微電子學(xué)報(bào)⁃機(jī)械系統(tǒng)，2010,19(4):721-734。 [9]李建軍，李建軍，李建軍，等。簡(jiǎn)單準(zhǔn)確平面螺旋電感的表達(dá)式[J]。1999,34 (10):１４１９－１４２４． [10]陳培軍，陳志強(qiáng)，陳志強(qiáng)，等。無線眼內(nèi)微加工微創(chuàng)壓力傳感技術(shù)柔性線圈型LC傳感器的植入[J]。微電子學(xué)報(bào)流體機(jī)械系統(tǒng)，2010,19(4):721-734。 班寧產(chǎn)品匯總 |
