基于双电容的LC谐振式无线无源压力传感器的研究

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LC无线无源压力传感器结构简单、成本低廉,是最有潜力的谐振式压力传感器,有着广泛的应用前景。目前该类传感器多采用陶瓷材料制备,其压力敏感膜较厚、电容间隙宽,这给实现高灵敏度、小尺寸的压力传感器带来了一定的困难。此外,LC无线无源压力传感器的电容极板间的连接大都依靠通孔互连工艺或对准键合连接互连线,这些工艺都较复杂,对准精度要求高,高温下易出现热失配。本文提出了一种基于双电容的LC谐振式无线无源压力传感器,通过双电容结构实现谐振结构无引线互连,主要研究工作如下:(1)提出了双电容式无线无源压力传感器的结构模型,分析了其耦合机制,并建立了电学模型与检测模型。针对传感器信号读取易受温度、耦合距离等影响,仿真分析了耦合系统各参数对信号读取的影响。结合平面片上电感设计理论,完成了片上电感线圈的尺寸设计,并通过对双电容结构进行机电耦合仿真,确定了传感器的整体尺寸,并由此确定了传感器性能的设计指标。(2)根据理论分析与仿真所确定的传感器结构尺寸确定了传感器的制备工艺流程,采用光刻、二次氧化掩膜、硅湿法腐蚀、磁控溅射沉积电极、化学电铸、阳极键合等MEMS工艺制备了尺寸为11.2mm×11.2mm×1.5mm的敏感元件。对40μm以上胶厚的光刻胶铸膜匀胶和曝光工艺优化,确定采用转速500r/min+800r/min二次涂胶法,35mW/cm2、250s的曝光参数制备厚度42μm电铸膜。研究了不同电铸方式对电铸线圈质量的影响及电流密度对电铸速率的影响,制备出了宽度47.9μm、间距33.1μm、厚度32.1μm的大厚度铜电感线圈。(3)测量并统计了所铸电感线圈的电感值为3.5436μH,并分析计算出了玻璃上电感的寄生电容为10.714pF。搭建传感器单元测试平台,测试了敏感元件的频率压力特性,并得到传感器的灵敏度大于52.8kHz/kPa,最大满量程线性拟合误差小于4.18%,迟滞误差为1%,最大耦合距离为6mm。大气环境下温度漂移为2.7kHz/℃,灵敏度温度漂移为 0.027kHz/(kPa·℃)。
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