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一种高灵敏度无线压力传感器的研究 为解决压力传感器在密闭空间、高旋、生物体内等不适用引线的问题，设计了一种无线压力传感器。 对传感器进行原理分析及结构设计，采用 ＭＥＭＳ工艺对硅片及 BF33进行加工，并搭建了谐振频率－压力测试平台，对传感器性能进行测试。 压力测试范围为 ５～ 105ｋＰａ，在常温时的灵敏度为161.5Ｈｚ／Pa，传感器具有较高的灵敏度，有利于提高压力检测精度。 ０ 引言 压力测量对于军用、民用等领域有着迫切的需求，压力传感器的研制在生产中有着重要的意义［１］ 。现有压力传感器基本通过引线进行测量，但对于密闭空间、高旋及生物体内等应用场合难进行引线［２］ 。 基于ＬＣ谐振的无线压力传感器能实现非接触式测量，解决引线封装中电气连接部分的技术难点，确保传感器的工作性能。 国内主流 ＬＣ 谐振压力传感器多用共烧陶瓷制备 ＬＣ 谐振无线压力传感器［４］ ，其制作尺寸较大，灵敏度较低，李莹［３］ 制作的传感器灵敏度约30Ｈｚ／Ｐａ，对后续检测电路要求高。 另外电感线圈通过金属浆料烧结而成，其图形精度较低且不容易控制，且电感制作在电容腔外部，电性结构容易被氧化、腐蚀或者物理破［５］ 。 本文提出一种高灵敏度无线压力传感器，本结构采用 ＭＥＭＳ工艺制备，设计尺寸更小，并且电性结构设计在密封腔内，能够得到有效的保护。
无线压力传感器的谐振子由一个电容和一个电感串联而成， 从而使电容由直接测量变为间接测量［６］ 。 当外界压力发生变化时，传感器感压膜发生形变，制作在感压膜上的电容上极板也发生变化，电容上下极板间距随之变化，从而改变电容值的大小，进而使传感器的谐振频率发生变化，谐振频率与电容电感的关系为
式中 Ｌｓ及 Ｃｓ分别为传感器的电感和电容。 平面电感、可变电容与等效电阻构成谐振回路，谐振回路信号强度用品质因子表示，品质因子 Ｑ 为
式中 Ｒｓ为传感器 ＬＣ 回路等效电阻。 传感器信号传输通过互感耦合实现无线连接，以获取谐振频率信息，其检测原理如图 １ 所示。 检测设备连接外部检测电路及耦合电感，当耦合电感靠近传感器时，传感器的能量和信号通过互感耦合方式传输在耦合回路中，得到传感器阻抗变化量，从阻抗分析仪端口得到的阻抗表达式为 其实部表达式为
在传感器发生谐振时，其阻抗为为纯电阻，这时耦合输出端达到最大值，阻抗实部出现极值，通过检测极值所对应的谐振频率，可以实现检测压力值的变化。 进一步推导取得最大值的频率点为
极值频率点与传感器谐振点有一定偏差，当器件Ｑ 值较大时两点基本等同。 １.２ 电感结构设计 为了防止电感线圈出现应力集中，线圈形状设计为圆形，如图 ２ 所示。
图 ２ 电感结构示意图 图中 ｄｏｕｔ为电感线圈的外径，ｄｉｎ为线圈内径，ｓ 为线间距，ｗ 为线宽。 电感的常用理论计算方法有修正后的 Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式、电流层近似法以及单项数据拟合表达式 ３ 种方法［９］ ，其中修正后的 Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式表述简单且被证明与电感实测值最接近，依据该方法电感的计算公式如下：
式中：ｎ 为线圈的匝数；μ０ ＝ ４π× １０－７；ｄａｖｇ 为线圈的平均直径；ｄｏｕｔ为电感线圈外径；ｄｉｎ为点电感线圈内径；设计圆形电感的 Ｋ１ 为 2.23，Ｋ２ 为3.45 。 设计平面电感 的外径为9100μｍ，线宽为200μｍ，线间距为40μｍ，线厚度为7.5μｍ，圈数为12圈，通过Ｗｈｅｅｌｅｒ 公式计算圆形平面电感的电感值为0.984μＨ。 1.3电容结构设计 电容受压变形示意图如图３所示，当外界压力改变时，感压膜最大挠度也相应改变。
图 ３ 电容结构示意图 图中ｒ为感压膜半径，ｔ为感压膜厚度，ｄ为电容腔高度，ｐ为感压膜受到的压力载荷，ω 为感压膜的挠度变化。 对于硅材料来说中心最大挠度为
式中 Ｅ、υ 为材料的杨式模量和泊松比。 感压膜其他点的挠度可以表示为
由上式可知，当感压膜受到外界压力而变形时，感压膜中心的挠度最大，其他各点的挠度随其与中心距离的增大而减小。 在受到外界压力作用时，感压膜能承受的最大应力为
在设计电容结构时，应注意感压膜最大承受应力小于硅材料的屈服应力。 为了保护电感结构，将电容电感结构设计在密封腔内，所以密封腔直径应比电感外径略大。 考虑到测试需求，设计传感器的谐振频率应大于 １０ ＭＨｚ，同时随着膜厚的增加，感压膜形变量变小，灵敏度降低，极板间距的增加也会减小灵敏度。
图 ４ 传感器设计结构示意图 ２ 传感器的制备 由于Ｓｉ为半导体，若电感制备在Ｓｉ上会产生较大的寄生电容，从而影响传感器性能，故将电感结构制备在ＢＦ３３玻璃上。 由于金的电阻率小，且抗腐蚀性强，金线圈有利于表面清洗，所以采用电镀金的方法制备电感线圈。 Ｓｉ 通过 ＩＣＰ 刻蚀行程感压膜结构，具体制作过程如图 ５ 所示。 １－５ 步在硅片上进行，取硅片先后采用丙酮、酒精超声、３＃液进行化学清洗，在其中一面通过 ＰＥＣＶＤ 沉积二氧化硅作为刻蚀掩膜。 ＢＰ２１２ 光刻电容腔图案，采用 ＢＯＥ 腐蚀 ＳｉＯ２ 进行图形转移，通过 ＩＣＰ 刻蚀４２ μｍ 形成电容密封腔，将光刻胶及氧化硅去除干净。 在硅上进行 ＡＺ４６２０ 光刻金属电极图案，再沉积２００ ｎｍ 金属铂，通过 ｌｉｆｔ⁃ｏｆｆ 工艺剥离多余图形的金属，形成金属电容上极板。 ６－９ 步在 ＢＦ３３ 上进行，首先对 ＢＦ３３ 进行化学清洗，并沉积电镀种子层。 ＡＺ４６２０ 光刻电镀区域图形，再电镀 ７．５ μｍ 金，电感线圈中心为电容下极板，通过丙酮去除光刻胶并用 ＲＩＥ 刻蚀种子层完成 ＢＦ３３ 片上的工艺。 第 １０ 步将硅片和 ＢＦ３３ 进行阳极键合，对键合片的硅面进行减薄，再对键合片进行划片，完成传感器的制备，划片后单个敏感芯片的尺寸为 １１ ｍｍ×１１ ｍｍ×０．６６ ｍｍ。 ３ 传感器性能测试 为了对传感器进行测试，搭载谐振频率－压力测试平台，如图 ６ 所示。 谐振频率－压力测试平台主要由 Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ５０６１Ｂ网络分析仪、Ｄｒｕｃｋ ＰＡＣＥ６００ 压力控制仪、真空泵、压力腔组成。 机械泵与压力控制仪相连，通过压力控制仪控制压力腔内的压力。 耦合芯片与传感器贴合装入压力腔内，耦合电感两端通过漆包线与测试线相连，在网络分析仪上读取阻抗实部极值对应谐振频率完成数据测试。 电容值与上下电极之间距离之间的关系是非线性关系，压力与电容的关系也是非线性的，谐振频率与压力的关系也是非线性的。 传感器大气环境的谐振频率为46.95ＭＨｚ，灵敏度为161.5Ｈｚ／Ｐａ，具有较高的灵敏度。 图 ７ 谐振频率－压力测试曲线 参考文献： [1]张建军，张建军，张建军，等⁃聚微系统[J]。IEEE学报，中国生物医学工程学报，2006,31(6):1138-1159。 [2]刘瑾，欧文，高璇。MEMS无源无线压力传感器的研究[J]。仪表技术与传感器，2013(11):4-6。 [3]李颖。LTCC高温压力传感器的设计、制造与试验[J]。感觉微生物学与微系统学报，2013,32(4):101-102。 [4]李晨，谭强，薛晨，等。一种高性能的LC无线采用低温co .制造的无源压力传感器烧结陶瓷(LTCC)技术[J]。传感器，2014,14(12): 23337-23347。 [5]郑超，李伟，李爱玲，等。中国的设计和制造基于LC谐振的无源压力传感器[J]。Mi⁃机械工程，2016,7(5):87。 [6]董玲，王丽芳，黄庆安。多路径的实现采用LC型无源无线传感器进行参数监测通过特殊绕组堆叠电感器[J]。互联网的物联网学报，2015,2(2):168-174。 [7]李海燕，崔斌，金山，等。灵敏度⁃增强信用证无线膀胱压力传感器监测[J]。传感器学报，2016,16(12):1-1。 [8]陈培军，陈志强，陈志强，等。无线眼内微加工微创压力传感技术柔性线圈型LC传感器的植入[J]。微电子学报⁃机械系统，2010,19(4):721-734。 [9]李建军，李建军，李建军，等。简单准确平面螺旋电感的表达式[J]。1999,34 (10):１４１９－１４２４． [10]陈培军，陈志强，陈志强，等。无线眼内微加工微创压力传感技术柔性线圈型LC传感器的植入[J]。微电子学报流体机械系统，2010,19(4):721-734。 班宁产品汇总 |
