LC内嵌式无线压力传感器研究

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LC谐振无线压力传感器采用无线无源方式实现对压力信号的检测,适用于狭小封闭的空间以及高温、腐蚀的恶劣环境,在生物医疗、航空航天、工业控制等领域具有广阔的应用前景。目前,国内主要采用LTCC、HTCC技术制备LC谐振无线压力传感器,其敏感元件尺寸大,灵敏度低,且电感线圈制作在结构外部,容易受外部环境破坏,降低了传感器的实用性。而采用MEMS技术能够制备小尺寸、高灵敏度、内嵌式的LC谐振无线压力传感器,提高LC谐振无线压力传感器的实用性。因此,本论文提出并实现一种基于MEMS技术的LC内嵌式无线压力传感器,主要研究工作如下:  (1)结合MEMS技术,提出了两种LC内嵌式无线压力敏感元件的结构方案,采用有限元仿真和矩量法电磁场仿真分别从结构和电学方面比较了两种方案的性能,其中方案二具有更高的灵敏度,因此将其作为最终的方案。根据Greenhouse公式分析尺寸参数对螺旋电感性能的影响,确定合适的电感尺寸,并采用电磁场仿真进行验证。  (2)比较了SU-8光刻胶与AZ P4620光刻胶微电铸胶模的性能,其中AZ P4620光刻胶具有工艺简单、与酸性铜电镀液兼容的优点,采用AZ P4620光刻胶模微电铸得到30μm厚的螺旋电感线圈。根据仿真与理论分析确定的结构尺寸设计了敏感元件的工艺流程,采用光刻、硅各向异性腐蚀、溅射、微电铸、阳极键合等MEMS工艺制备了结构尺寸为8mm×8mm×1mm的敏感元件。  (3)测试了硅基底和玻璃基底上微电铸电感的电感量分别为1.7975μH和1.7466μH,接近于电感理论计算值,寄生电容分别106.8pF和3.5pF,验证了仿真结果。采用网络分析仪、压力控制器、烘箱、密封腔搭建传感器测试平台,测试了无线式压力敏感的频率-压力特性。敏感元件的灵敏度大于0.04MHz/kPa,非线性误差小于2.8%,迟滞误差为0.16%,温度漂移为0.002MHz/℃,耦合距离最大为10mm。
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