面向恶劣环境的三维集成电容式多参数无源LTCC传感器敏感机理、制造及测试技术基础研究

For the demands of in-situ testing of multiple parameters under harsh environments of high temperature and high speed rotation in the fields of aviation, aerospace, mining and metallurgy etc. A novel wireless passive multi-parameter 3D integrated capacitive ceramic sensor based on LTCC technology, which can realize the measurement of pressure, temperature and vibration above 600℃ in a single sensor chip simultaneously by passive telemetry, is proposed originally. By solving a series of fundamental technical issues in the process of integrated design and compatible fabrication etc, the capacitive sensing mechanism for multiple parameters based on high-temperature ceramic materials will be explored, and the influence of temperature on the mechanical and electrical properties of LTCC materials will be investigated to provide theoretical foundation for the temperature compensation method of wireless passive ceramic sensor. By in-depth study of electromagnetic coupling relationship between the multiple LC circuits, decoupling algorithm for multi-parameter telemetry signals is constructed to solve the problem of interference among multi-parameter signals. By solving the problems of stress matching and controlling of multilayer ceramic substrate, metal paste and dielectric material in the sintering process, a set of multi-sensing unit integrated manufacturing process methods are established based on LTCC micro-assembly technology. Eventually, a prototype of 3D integrated passive sensor and test system will be developed, which will provide a reference for the development of multi-function passive sensors in harsh environments.

针对航空、航天、采矿及冶金等领域对高温、高旋恶劣环境下复合参数的原位测试需求，本项目创新性的提出一种基于LTCC技术的无线、无源多参数三维集成一体化电容式陶瓷传感器新结构，通过无源遥测读取传感器信号，实现600℃以上压力、温度和振动参数的单片同时测量。通过解决集成设计、兼容制造等过程中的一系列基础技术问题，探索基于耐高温陶瓷材料的多参数电容式敏感机理，探明高温对LTCC材料力学和电学性能的影响规律，为无线、无源陶瓷类传感器的信号获取及温度补偿方法提供理论基础；通过深入研究多敏感LC回路之间的电磁耦合关系，构建多参数遥测信号的解耦算法，解决多参数信号之间的耦合串扰问题；通过解决多层陶瓷基板/金属浆料和介质材料的烧结应力匹配控制问题，形成一套基于LTCC微组装技术的多敏感单元集成制造的工艺方法。最终研制出三维集成的无源传感器及测试系统原型，为恶劣环境下多功能无源传感器的发展提供参考方法。

高温、高压、高旋环境下复合参数的原位提取在航空航天领域具有重要的意义。本项目通过合理结合LTCC/HTCC微组装工艺技术及厚膜集成工艺技术，突破了陶瓷基微器件集成制造和高温烧结工艺，提高了各类结构耐高温工作极限，形成了成套的集成制造工艺规范。提出了陶瓷基片材料的力/热-电-波转换结构及电磁谐振耦合无源信号获取方法，建立了电磁谐振耦合解算模型，为高温及旋转环境下的参数原位获取提供了解决思路和方案。发明了碳膜填充新技术，解决了电容密闭空腔形成工艺问题，提高了器件的成品率和灵敏度。发明并提出了集成多参数的电容敏感无源集成结构，解决了三维集成微组装兼容共烧制造工艺问题，发现了温度对其他参数测量的影响机制，揭示了高温下各参数测试时温度必测的共性规律，以此为基础提出了传感器温度补偿计算方法。提出了定频及扫频模式的两种谐振频率测量方法，研究开发了频率耦合信号调制与解调电路模块，得到了高温下各参数测量的计算公式和补偿方法。发明并提出了温度、压力、振动、气体、湿度等参数的电容式敏感结构，及集成多敏感结构、遥测电感线圈为一体的多参数结构，最终研制了1500℃高温下温度参数以及1200℃高温下压力参数无源测试器件，及1100℃度温/压集成器件、600度温/压/振三参数集成器件，突破了各器件的信号提取方法，为恶劣环境下多参数测试提供了参考理论和方法。在Sensors and Actuators B: Chemical 、Scientific Reports 、Sensors and Actuators A：Physical 、JMEMS、JMM、IEEE Sensors Journal等杂志上发表学术论文48篇，其中SCI收录37篇（一区TOP期刊及Nature子刊各1篇）。申请专利23项，其中已授权12项。培养研究生21人,其中博士研究生3人。在IEEE Sensors 2018、Transducers2019等参加国内外学术交流13人次。