电容式多参数无源LTCC传感器设计与集成方法研究

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高温下的原位测试技术在航空航天、采矿冶金以及工业自动化等领域存在广泛需求,目前常规硅基传感器受材料性能和信号提取方法限制,难以突破250℃以上的工作温度极限,由于陶瓷材料具有极好的高温稳定性,陶瓷基无源传感器已成为当前原位测试技术领域的研究热点,然而,现有耐高温无源传感器仅能进行单参数测量,难以满足很多高温工况环境下低成本、低功耗的多参数测试需求。因此,本论文提出一种基于LTCC微组装技术的电容式无源多参数传感器结构,并重点开展了该无源多参数传感器的设计与集成方法研究,为高温环境下的多参数原位测试技术的发展开辟新思路。本论文通过对电容式无源多参数LTCC传感器相关基础理论的研究,建立了电容式无源多参数传感器的电路分析模型,基于理论分析模型,研究分析了影响传感器多参数信号读取的主要因素,同时研究探明了复合参数环境下的传感器热、力、电耦合转换机理,并给出了温度敏感LC回路的热、电耦合转换模型和压力敏感LC回路的热、力、电耦合转换模型。基于基础理论研究,设计了一种三维集成电容式无源温度、压力双参数集成传感器结构,并结合理论计算和ADS软件仿真分析了传感器的响应特性。利用LTCC微组装技术,实现了传感器的制备,探索获得了无排气孔结构电容空腔的烧结工艺曲线,并对所制备的传感器进行了复合高温压力环境下的特性表征,证明了传感器在400℃和两个大气压内具有较好的温度、压力敏感特性。最后基于传感器理论分析模型,研究讨论了电容式无源多参数信号串扰解耦与电容式无源压力测试的温度补偿问题。通过数学推导,构建了多参数信号串扰解耦算法与无源压力测试的温度补偿算法,并利用结合实验数据对算法进行了验证分析,为电容式无源多参数传感器的实际工程应用奠定了初步的研究基础。
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