基于基片集成波導(dǎo)和消逝模諧振腔的壓力傳感器設(shè)計(jì)*

伍國柱,譚秋林*,唐 順,魏坦勇,熊繼軍

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

基于基片集成波導(dǎo)和消逝模諧振腔的壓力傳感器設(shè)計(jì)*

伍國柱1,2,譚秋林1,2*,唐 順1,2,魏坦勇1,2,熊繼軍1,2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

提出一種新型的基于基片集成波導(dǎo)和消失模諧振腔的壓力傳感結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了圓形空腔,當(dāng)施加外界壓力時(shí),圓形空腔發(fā)生形變從而使諧振腔諧振頻率變化。采用共面波導(dǎo)線對(duì)諧振腔進(jìn)行耦合饋電并將頻率信號(hào)傳輸出來。通過讀取傳感器的回波損耗參數(shù)(S11)來表征壓力與頻率的關(guān)系。利用高頻仿真軟件HFSS對(duì)諧振腔進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化,設(shè)計(jì)尺寸為30 mm×30 mm×1.93 mm,與傳統(tǒng)諧振腔相比體積明顯減小。傳感器基底為Rogers 4003C板材,采用PCB技術(shù)進(jìn)行加工。搭建壓力測試平臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行測試,結(jié)果表明在0～3 N的壓力范圍內(nèi)變化100 MHz,絕對(duì)靈敏度為25 MHz/N。仿真和實(shí)測結(jié)果比較吻合,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)壓力結(jié)構(gòu)的有效性。

壓力傳感器;基片集成波導(dǎo);消失模諧振腔;頻率測量;共面波導(dǎo)耦合

壓力傳感器在日?？刂坪捅O(jiān)測方面起著重大作用,可應(yīng)用于非常多的領(lǐng)域,如生物醫(yī)療監(jiān)測[1],工業(yè)領(lǐng)域[2-3]和航空航天應(yīng)用[4-5]。常見的壓力傳感器有壓阻式、電容式和諧振式。其中諧振式壓力傳感器除了具有普通壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)外,還具有準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出,抗干擾能力強(qiáng),分辨率和測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。諧振式壓力傳感器目前已開展深入的研究[6-7],利用諧振腔的特性,研究新的壓力測試結(jié)構(gòu)和材料將為實(shí)際應(yīng)用提供更多可能?；刹▽?dǎo)SIW(Substrate Integrated Waveguide)主要應(yīng)用于濾波器方面[8-9],使其與電路能夠平面集成,從而可以廣泛應(yīng)用于微波以及毫米波電路中。基于消逝模的壓力傳感器采用金屬波導(dǎo)[10],具有制作過程復(fù)雜,成本高,體積較大的缺點(diǎn)。

本文提出的諧振式壓力傳感器基于基片集成波導(dǎo)和消逝模諧振腔原理,可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)輸出。SIW是通過介質(zhì)基片上的金屬化通孔陣列所形成的一種新型的波導(dǎo)[11]。SIW的一個(gè)非常重要的性質(zhì)是具有與傳統(tǒng)波導(dǎo)相類似的傳播特性,電磁場分布基本相近,所以分析方法可采用金屬波導(dǎo)方式來處理。與此同時(shí)基片介質(zhì)波導(dǎo)與空氣波導(dǎo)相比因采用介質(zhì)填充,尺寸下降很多,這使其具有結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,體積小等特點(diǎn)。

1 傳感器原理與設(shè)計(jì)

1.1 基片集成波導(dǎo)原理

在基片集成圓柱波導(dǎo)中,結(jié)構(gòu)如圖1所示,由于采用金屬化過孔陣列構(gòu)成的波導(dǎo)壁在電磁波傳播的垂直方向上是不連續(xù)性,會(huì)對(duì)與傳播方向垂直的磁場產(chǎn)生的傳播方向上的感應(yīng)電流產(chǎn)生切斷效應(yīng),引起強(qiáng)烈的輻射,使其發(fā)生很大的衰減,TE波很難形成傳播模式[12],所以在基片集成圓柱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中不存在TE模,只有TM模式能夠存在,且基模為TM01模。

圖1 基片集成圓柱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

1.2 消逝模諧振腔原理

諧振腔在微波電路中有著廣泛的使用,常用于產(chǎn)生微波振蕩和微波放大器選頻等電路中。常見的是采用金屬完全封閉的諧振腔。當(dāng)在TM01模的腔體中心軸加調(diào)諧桿時(shí),這樣的腔體一般稱為重入式諧振腔,結(jié)構(gòu)如圖2所示,由于此類諧振腔的諧振頻率低于截止頻率,因此也可稱為消逝模諧振腔[13]。當(dāng)調(diào)諧內(nèi)圓柱與外圓柱的間隙g非常小時(shí),諧振腔諧振頻率對(duì)g變化非常敏感。通過高頻仿真軟件HFSS(Ansoft High Frequency Structure Simulator)對(duì)諧振腔間距g進(jìn)行仿真,得到結(jié)果如圖3所示。當(dāng)H/b<2.04時(shí),腔體中TM010保持為主模[10],場分布具有圓對(duì)稱性,其電場和磁場分布如圖4(a)和圖4(b)所示。從圖中可以看出圓柱腔中的TM010模的高頻電場基本集中在腔體中心軸上,高頻磁場主要集中于環(huán)形部分。

圖4 圓柱諧振腔TM010模

圖2 消逝模圓形諧振腔結(jié)構(gòu)

圖3 仿真的間隙g與諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系

1.3 基于基片集成波導(dǎo)和消逝模諧振腔的壓力傳感器設(shè)計(jì)

在基片集成圓柱波導(dǎo)的基礎(chǔ)上增加調(diào)諧內(nèi)圓柱,在頻率一定時(shí)可以進(jìn)一步使諧振腔尺寸縮小形成壓力傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中介質(zhì)板厚度H為1.93 mm,內(nèi)圓柱高度h為1.524 mm。金屬通孔以半徑b為9 mm的圓均勻分布,相鄰兩孔間隔12°,每個(gè)金屬化通孔直徑為0.8 mm。調(diào)諧內(nèi)圓柱半徑a為5.6 mm,連接調(diào)諧內(nèi)圓柱和底面接地金屬面的中心圓形通孔半徑0.5 mm?？涨话霃絚為7.5 mm。共面波導(dǎo)饋線長度L為12 mm,寬度s為1.2 mm,兩縫隙間距離n為2.2 mm。諧振腔通過共面波導(dǎo)線進(jìn)行激勵(lì),共面波導(dǎo)線的橫向磁場與諧振腔的磁場線方向一致,因此能夠激勵(lì)起諧振腔,當(dāng)施加壓力時(shí),調(diào)諧內(nèi)圓柱與頂部金屬面間距g減小,導(dǎo)致諧振腔諧振頻率發(fā)生偏移。傳感器頻率信號(hào)通過共面波導(dǎo)線傳輸出來。

圖5 SIW壓力傳感器幾何結(jié)構(gòu)圖

圖6 敏感膜形變量為40 μm對(duì)應(yīng)的諧振頻率變化

通過HFSS對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,圖6為軟件仿真的對(duì)應(yīng)敏感膜形變量為40 μm時(shí)傳感器諧振頻率與回波損耗S11的關(guān)系。從圖中可以看出諧振頻率變化近似線性,靈敏度約為4.75 MHz/μm。

2 壓力傳感器加工與測試結(jié)果

傳感器采用印刷電路板技術(shù)進(jìn)行分層加工,總共分為三層,實(shí)物圖如圖7所示。材料采用Rogers 4003C板材,介電常數(shù)為3.55,介電損耗角正切為0.002 7。第1層厚度0.203 mm,在其上表面覆銅,刻蝕出共面波導(dǎo)線;第2層厚度為0.203 mm,以板材中心為圓心,切除半徑7.5 mm的圓片從而形成壓力敏感的空腔;第3層厚度為1.524 mm,上表面用微機(jī)械加工的方法挖出0.5 mm厚,內(nèi)外半徑分別為5.6 mm和7.5 mm的環(huán)形槽。每層都在相同的位置打出尺寸一致的金屬通孔以實(shí)現(xiàn)電氣連接。用502膠水將各層連接起來,把SMA接頭與共面波導(dǎo)線進(jìn)行焊接。

圖7 傳感器實(shí)物圖

將Agilent E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀通過50 Ω同軸線與傳感器連接如圖8所示,測試其回波損耗(S11參數(shù))。用艾德堡推力計(jì)(量程20 N,精度0.1 N)進(jìn)行傳感器壓力測試,每施加1 N的力記錄一次。

測試得到的傳感器頻率與S11的關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出,隨著壓力的增大,傳感器諧振頻率逐漸減小,在0～3 N范圍內(nèi)頻率變化100 MHz,絕對(duì)靈敏度為25 MHz/N。曲線逐漸變得平緩,主要是因?yàn)榭涨蛔冃?dǎo)致的Q值降低。對(duì)傳感器進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),通過提取傳感器諧振頻率峰值,可以得到圖10中壓力與諧振頻率的關(guān)系,從圖中可以看出傳感器初始頻率結(jié)果比較一致,但重復(fù)性不是非常良好,主要是由于推力計(jì)本身的誤差以及操作誤差。傳感器初始頻率為2.07 GHz,與仿真結(jié)果有一定差異,主要原因?yàn)椴捎梅謱蛹庸?手動(dòng)粘接的方法,誤差比較大,從而導(dǎo)致頻率偏移。

圖8 常溫常壓下傳感器測試圖

圖9 壓力測試曲線

圖10 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作了一種基于基片集成波導(dǎo)和消逝模諧振腔的壓力傳感器結(jié)構(gòu)。通過理論分析和HFSS軟件仿真確定其尺寸。采用PCB加工,用推力計(jì)對(duì)傳感器進(jìn)行壓力測試,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)壓力傳感器的可行性。由于機(jī)械誤差和操作誤差導(dǎo)致傳感器重復(fù)性并不一致。傳感器密封性和結(jié)果準(zhǔn)確性還有待改進(jìn)和提高。

[1] Chen G Z,Chan I S,Leung L K K,et al. Soft Wearable Contact Lens Sensor for Continuous Intraocular Pressure Monitoring[J]. Medical Engineering and Physics,2014,36(9):1134-1139.

[2] Fan Z,Zou X,Gao R X,et al. Embedded Capacitive Pressure Sensing for Electrically Assisted Microrolling[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2015,20(3):1005-1014.

[3] 文晟,張鐵民,盧玉華,等. 基于卡門渦街原理的諧振型風(fēng)力壓電俘能器研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,9:1303-1308.

[4] Luo T,Tan Q,Ding L,et al. A Passive Pressure Sensor Fabricated by Post-Fire Metallization on Zirconia Ceramic for High-Temperature Applications[J]. Micromachines,2014,5(4):814-824.

[5] Cheng H,Shao G,Ebadi S,et al. Evanescent-Mode-Resonator-Based and Antenna-Integrated Wireless Passive Pressure Sensors for Harsh-Environment Applications[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2014,220:22-33.

[6] 杜志剛,賀學(xué)鋒. 帶諧振腔的微型壓電風(fēng)能采集器[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,6:748-750.

[7] 陳紅生. 基于次波長諧振原理的新型壓力傳感器[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,10:1426-1430.

[8] 鄭博仁. 高性能基片集成波導(dǎo)微波濾波器研究[D]. 電子科技大學(xué),2012.

[9] 張帆. 基片集成波導(dǎo)的特性及應(yīng)用研究[D]. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[10] Liu X. High-Q RF-MEMS Tunable Resonators and Filters for Reconfigurable Radio Frequency Front-Ends[J]. 2010.

[11] 馬笑言. 基于消失模的基片集成波導(dǎo)濾波器的研究[D]. 西安電子科技大學(xué),2013.

[12] Xu F,Wu K. Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(1):66-73.

[13] Gong X,Margomenos A,Liu B,et al. Precision Fabrication Techniques and Analysis on High-QEvanescent-Mode Resonators and Filters of Different Geometries[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2004,52(11):2557-2566.

Pressure Transducer Based on Substrate Integrated Waveguide and Evanescent Mode Resonator*

WUGuozhu1,2,TANQiulin1,2*,TANGShun1,2,WEITanyong1,2,XIONGJijun1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

The paper demonstrates a new pressure sensing structure based on substrate integrated waveguide(SIW)and evanescent mode resonator is designed with cylindrical air cavity,which makes the frequency of evanescent mode resonator tunable. Coplanar waveguide(CPW)is used as coupling unit to incent the resonator and transmit the output signal. By measuring the return loss(S11)of the sensor,the frequency-pressure characteristic could be obtained. Ansoft High frequency structure simulator(HFSS)is used to simulate and optimize the sensor structure. The dimension of pressure sensor is 30 mm×30 mm×1.93 mm,which reduced much volume compared to the traditional resonator. The material used is Rogers 4003C and then the sensor is fabricated by using PCB technology. A pressure measurement platform is setup to test the sensor. The measured resonant frequency changes 100 MHz at the pressure range of 0～3 N with absolute sensitivity of 25 MHz/N. It appears that the simulated data fits well with the experimental data,which confirms the feasibility of this kind of pressure sensing structure.

pressure sensor;substrate integrated waveguide;evanescent mode resonator;frequency measurement;coplanar waveguide coupling

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471324);國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51425505);山西省青年拔尖人才支持計(jì)劃項(xiàng)目

2016-06-29 修改日期:2016-07-27

TP212

A

1004-1699(2017)01-0044-04

C:5180;7310G;5240D

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.009