|
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、生物體內等不適用引線的問題，設計了一種無線壓力傳感器。 對傳感器進行原理分析及結構設計，采用 ＭＥＭＳ工藝對硅片及 BF33進行加工，并搭建了諧振頻率－壓力測試平臺，對傳感器性能進行測試。 壓力測試范圍為 ５～ 105ｋＰａ，在常溫時的靈敏度為161.5Ｈｚ／Pa，傳感器具有較高的靈敏度，有利于提高壓力檢測精度。 ０ 引言 壓力測量對于軍用、民用等領域有著迫切的需求，壓力傳感器的研制在生產中有著重要的意義［１］ 。現有壓力傳感器基本通過引線進行測量，但對于密閉空間、高旋及生物體內等應用場合難進行引線［２］ 。 基于ＬＣ諧振的無線壓力傳感器能實現非接觸式測量，解決引線封裝中電氣連接部分的技術難點，確保傳感器的工作性能。 國內主流 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，對后續檢測電路要求高。 另外電感線圈通過金屬漿料燒結而成，其圖形精度較低且不容易控制，且電感制作在電容腔外部，電性結構容易被氧化、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，本結構采用 ＭＥＭＳ工藝制備，設計尺寸更小，并且電性結構設計在密封腔內，能夠得到有效的保護。
無線壓力傳感器的諧振子由一個電容和一個電感串聯而成， 從而使電容由直接測量變為間接測量［６］ 。 當外界壓力發生變化時，傳感器感壓膜發生形變，制作在感壓膜上的電容上極板也發生變化，電容上下極板間距隨之變化，從而改變電容值的大小，進而使傳感器的諧振頻率發生變化，諧振頻率與電容電感的關系為
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成諧振回路，諧振回路信號強度用品質因子表示，品質因子 Ｑ 為
式中 Ｒｓ為傳感器 ＬＣ 回路等效電阻。 傳感器信號傳輸通過互感耦合實現無線連接，以獲取諧振頻率信息，其檢測原理如圖 １ 所示。 檢測設備連接外部檢測電路及耦合電感，當耦合電感靠近傳感器時，傳感器的能量和信號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式為 其實部表達式為
在傳感器發生諧振時，其阻抗為為純電阻，這時耦合輸出端達到最大值，阻抗實部出現極值，通過檢測極值所對應的諧振頻率，可以實現檢測壓力值的變化。 進一步推導取得最大值的頻率點為
極值頻率點與傳感器諧振點有一定偏差，當器件Ｑ 值較大時兩點基本等同。 １.２ 電感結構設計 為了防止電感線圈出現應力集中，線圈形狀設計為圓形，如圖 ２ 所示。
圖 ２ 電感結構示意圖 圖中 ｄｏｕｔ為電感線圈的外徑，ｄｉｎ為線圈內徑，ｓ 為線間距，ｗ 為線寬。 電感的常用理論計算方法有修正后的 Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式、電流層近似法以及單項數據擬合表達式 ３ 種方法［９］ ，其中修正后的 Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式表述簡單且被證明與電感實測值最接近，依據該方法電感的計算公式如下：
式中：ｎ 為線圈的匝數；μ０ ＝ ４π× １０－７；ｄａｖｇ 為線圈的平均直徑；ｄｏｕｔ為電感線圈外徑；ｄｉｎ為點電感線圈內徑；設計圓形電感的 Ｋ１ 為 2.23，Ｋ２ 為3.45 。 設計平面電感 的外徑為9100μｍ，線寬為200μｍ，線間距為40μｍ，線厚度為7.5μｍ，圈數為12圈，通過Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式計算圓形平面電感的電感值為0.984μＨ。 1.3電容結構設計 電容受壓變形示意圖如圖３所示，當外界壓力改變時，感壓膜最大撓度也相應改變。
圖 ３ 電容結構示意圖 圖中ｒ為感壓膜半徑，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。 感壓膜其他點的撓度可以表示為
由上式可知，當感壓膜受到外界壓力而變形時，感壓膜中心的撓度最大，其他各點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，感壓膜能承受的最大應力為
在設計電容結構時，應注意感壓膜最大承受應力小于硅材料的屈服應力。 為了保護電感結構，將電容電感結構設計在密封腔內，所以密封腔直徑應比電感外徑略大。 考慮到測試需求，設計傳感器的諧振頻率應大于 １０ ＭＨｚ，同時隨著膜厚的增加，感壓膜形變量變小，靈敏度降低，極板間距的增加也會減小靈敏度。
圖 ４ 傳感器設計結構示意圖 ２ 傳感器的制備 由于Ｓｉ為半導體，若電感制備在Ｓｉ上會產生較大的寄生電容，從而影響傳感器性能，故將電感結構制備在ＢＦ３３玻璃上。 由于金的電阻率小，且抗腐蝕性強，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 刻蝕行程感壓膜結構，具體制作過程如圖 ５ 所示。 １－５ 步在硅片上進行，取硅片先后采用丙酮、酒精超聲、３＃液進行化學清洗，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 進行圖形轉移，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 上進行，首先對 ＢＦ３３ 進行化學清洗，并沉積電鍍種子層。 ＡＺ４６２０ 光刻電鍍區域圖形，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 進行陽極鍵合，對鍵合片的硅面進行減薄，再對鍵合片進行劃片，完成傳感器的制備，劃片后單個敏感芯片的尺寸為 １１ ｍｍ×１１ ｍｍ×０．６６ ｍｍ。 ３ 傳感器性能測試 為了對傳感器進行測試，搭載諧振頻率－壓力測試平臺，如圖 ６ 所示。 諧振頻率－壓力測試平臺主要由 Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ５０６１Ｂ網絡分析儀、Ｄｒｕｃｋ ＰＡＣＥ６００ 壓力控制儀、真空泵、壓力腔組成。 機械泵與壓力控制儀相連，通過壓力控制儀控制壓力腔內的壓力。 耦合芯片與傳感器貼合裝入壓力腔內，耦合電感兩端通過漆包線與測試線相連，在網絡分析儀上讀取阻抗實部極值對應諧振頻率完成數據測試。 電容值與上下電極之間距離之間的關系是非線性關系，壓力與電容的關系也是非線性的，諧振頻率與壓力的關系也是非線性的。 傳感器大氣環境的諧振頻率為46.95ＭＨｚ，靈敏度為161.5Ｈｚ／Ｐａ，具有較高的靈敏度。 圖 ７ 諧振頻率－壓力測試曲線 參考文獻： [1]張建軍，張建軍，張建軍，等⁃聚微系統[J]。IEEE學報，中國生物醫學工程學報，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]。儀表技術與傳感器，2013(11):4-6。 [3]李穎。LTCC高溫壓力傳感器的設計、制造與試驗[J]。感覺微生物學與微系統學報，2013,32(4):101-102。 [4]李晨，譚強，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陶瓷(LTCC)技術[J]。傳感器，2014,14(12): 23337-23347。 [5]鄭超，李偉，李愛玲，等。中國的設計和制造基于LC諧振的無源壓力傳感器[J]。Mi⁃機械工程，2016,7(5):87。 [6]董玲，王麗芳，黃慶安。多路徑的實現采用LC型無源無線傳感器進行參數監測通過特殊繞組堆疊電感器[J]。互聯網的物聯網學報，2015,2(2):168-174。 [7]李海燕，崔斌，金山，等。靈敏度⁃增強信用證無線膀胱壓力傳感器監測[J]。傳感器學報，2016,16(12):1-1。 [8]陳培軍，陳志強，陳志強，等。無線眼內微加工微創壓力傳感技術柔性線圈型LC傳感器的植入[J]。微電子學報⁃機械系統，2010,19(4):721-734。 [9]李建軍，李建軍，李建軍，等。簡單準確平面螺旋電感的表達式[J]。1999,34 (10):１４１９－１４２４． [10]陳培軍，陳志強，陳志強，等。無線眼內微加工微創壓力傳感技術柔性線圈型LC傳感器的植入[J]。微電子學報流體機械系統，2010,19(4):721-734。 班寧產品匯總 |
