CN103344679A

CN103344679A - 基于ltcc的无源lc湿度传感器

Info

Publication number: CN103344679A
Application number: CN2013102966981A
Authority: CN
Inventors: 董刚; 李小菲; 杨银堂
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明公开了一种基于LTCC的无源LC湿度传感器，自上而下包括十三层，其中奇数层均为陶瓷介质层，偶数层均为金属层；第一层介质层开窗露出第二层电容金属层以便电容层感湿；第四、六、八、十和十二层金属均为电感金属层，位于第四和十二层金属层的电感的两端通过通孔与第二层电容金属层的两端相连，形成并联LC电路。本发明利用LTCC技术来实现，可以有效减少制造流程并大大降低生产成本，并且陶瓷材料的品质因数高，电路的损耗小。更重要的是LTCC陶瓷材料稳定性好，对环境变化不敏感，陶瓷烧结体结构致密，透湿性低，所以该传感器无需封装就可以应用于高湿度的环境。

Description

基于LTCC的无源LC湿度传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及利用LTCC技术来实现LC湿度传感器。

背景技术

传感器终端是物联网的应用载体，传感器单元除了要满足物品编码、物理量采集与存储、无线通信等基本功能要求外，还要考虑无源化、无功耗或低功耗、体积小型化和微型化等，因而新型低成本、高可靠性、宽用途的传感器实现技术不仅是技术的制高点，同时也有着不可估量的市场化广阔前景。

无源无线传感器由电感和插值电容组成，可广泛用于传感量的测量如湿度、气体浓度等，所有待测量基于对LC振荡电路的电容影响，改变传感器谐振频率，来提取相关物理量，目前的LC无源传感器包括三层，底部导体层置于基板之上构成叉指电容与电感，中间绝缘层用以隔离两个导体层，顶部导体层用于连接电容和电感的另一端，目前这种传统的传感器结构和工艺复杂，成本增加，电路面积大，刚性基板材料也限制了传感器的扩展应用，而且测量范围、灵敏度和精度有待于进一步提高。

LTCC技术，即低温共烧陶瓷技术，是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术，而且已成为无源集成的主流技术。陶瓷基板可内置无源元件和贴装有源器件，制成无源和有源集成的功能模块，可进一步将通讯组件小型化。

发明内容

本发明综合上述考虑，提供一种利用LTCC实现的体积小、无源的LC湿度传感器，旨在解决传统的传感器结构和工艺复杂，成本高的问题，提高了灵敏度和精度。

为实现上述目的，本发明自上而下包括十三层，其中奇数层均为陶瓷介质层，偶数层均为金属层。第一层介质层开窗露出第二层电容金属层以便电容层感湿。第四、六、八、十和十二层金属均为电感金属层，位于第四和十二层金属层的电感的两端通过通孔与第二层电容金属层的两端相连，形成并联LC电路。

上述利用LTCC技术实现的无源LC湿度传感器，所述奇数介质层采用LTCC陶瓷材料Ferro A6-M，介电常数为5.9，损耗因子为0.002。

上述利用LTCC技术实现的无源LC湿度传感器，所述第二层金属层为叉指电容层。

上述利用LTCC技术实现的无源LC湿度传感器，所述第四、六、八、十和十二层金属构成垂直螺旋电感。

上述利用LTCC技术实现的无源LC湿度传感器，所述电容、电感采用可以与陶瓷材料共烧的Ag。

上述利用LTCC技术实现的无源LC湿度传感器，所述通孔灌注材料为Ag。

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

本发明采用LTCC技术来实现，可以有效减小生产成本，适合大批量生产。

本发明采用陶瓷材料，从而减小电路损耗，提高电路的品质因数，并且稳定性高，对环境变化不敏感。

本发明由于采用LC无源无线的方式进行湿度检测的，可以应用在特殊恶劣环境中进行远程监测，同时也可以应用到包装内物品的无损湿度检测。

本发明可通过陶瓷材料介电常数、叉指电容组数、叉指电容电极宽度、长度和间距、垂直螺旋电感的层数、电感的结构尺寸这些关键因素，使得湿度传感器的谐振频率、测量范围、灵敏度、精度可控，从而满足不同测量环境对湿度传感器的功能要求。

本发明采用LTCC技术来实现，可以很方便的集成其他物理量检测的传感器件，组成多物理量传感器系统，实现多物理量检测的功能。

本发明采用多层陶瓷材料来实现，大大减小了传感器的面积，使传感器更微型化。

附图说明

图1 是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明系统中的垂直螺旋电感示意图；

图3是本发明系统中的垂直螺旋电感与叉指电容金属层相连示意图；

图4是本发明系统中的叉指电容示意图；

图5是本发明系统中的叉指电容随湿度的变化。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明系统自上而下包括十三层，其中奇数层均为陶瓷介质层，采用FERRO A6，相对介电常数为5.9，损耗角正切为0.002，大小均为25mm×15mm×0.3mm，偶数层均为金属层银，厚度均为0.01mm，第一层介质层开窗20mm×12mm露出第二层叉指电容金属层以便电容感湿。

参照图2，第四、六、八、十和十二层金属均为电感金属层。每层金属线圈的外围长度为22mm和12.2mm，线宽为0.2mm。通过第五、七、九和十层介质层中的通孔将每层线圈相连，通孔直径为0.2mm。

参照图3，位于第四和十二层金属层的电感的两端通过通孔与第二层电容金属层的两端相连，形成并联LC电路。

参照图4，是第二层叉指电容金属层的示意图。叉指电容有18组电极，叉指长为20.9mm，叉指宽度为0.5mm，叉指间距为0.1mm，叉指电容组的长度为23mm，其宽度为11.2mm。

采用电磁场仿真软件Ansoft-HFSS对此实施方式进行仿真，得到其谐振频率及品质因数分别为457.557MHz和58.7716。

采用matlab仿真软件对此实施方式中叉指电容随湿度的变化进行仿真，如图5所示,随着湿度的增加叉指电容值几乎呈直线增加。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于LTCC的无源LC湿度传感器，其特征在于，自上而下包括十三层，其中奇数层均为陶瓷介质层，偶数层均为金属层；第一层介质层开窗露出第二层电容金属层以便电容层感湿；第四、六、八、十和十二层金属均为电感金属层，位于第四和十二层金属层的电感的两端通过通孔与第二层电容金属层的两端相连，形成并联LC电路。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述陶瓷介质层采用LTCC陶瓷材料Ferro A6-M，介电常数为5.9，损耗因子为0.002。

3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述第二层金属层为叉指电容层。

4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述第四、六、八、十、和十二层金属层构成垂直螺旋电感。

5.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述电容、电感采用可以与陶瓷材料共烧的Ag。

6.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述通孔内灌注材料为Ag。