恶劣环境下射频传感器的先进材料综述：从材料特性到无线传感应用

《IEEE Sensors Reviews》：Advanced Materials for RF Sensors in Harsh Environments: A Comprehensive Review

本文针对传统传感器在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下性能受限的问题，系统综述了可用于设计无线射频(RF)传感器的先进材料（如Al2O3、SiC、AlN等），详细分析了其介电、热学、机械特性及金属化方案，总结了基于这些材料的温度、压力、气体传感器的最新进展，为恶劣环境传感技术的发展提供了重要参考。

　　

在汽车发动机燃烧室、地热井勘探、航空航天等极端环境中，温度可能超过1000°C，压力可达数十巴，同时存在强电磁干扰和化学腐蚀。传统硅基传感器在150°C以上性能急剧下降，有线传感器又因物理接触和供电问题难以适用。光学传感器虽能抗电磁干扰，但在难以布线的场景中实施困难。这些问题催生了对无线、耐恶劣环境的射频传感器的迫切需求。

射频传感器通过频率偏移、接收功率等参数变化实现非接触式测量，其性能核心在于材料能否在极端条件下保持稳定。本文聚焦于可用于恶劣环境的射频传感器材料，系统分析了氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、蓝宝石、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si₃N₄)等基板材料的介电常数(ε_r)、损耗角正切(tanδ)、热导率(σ_T)、热膨胀系数(CTE)等关键特性，并探讨了与之匹配的金属化方案。

研究通过文献综述和性能对比，评估了各类材料的适用场景。例如SiC具有最高热导率(490 W/m·K)和低CTE(4 ppm/°C)，但加工难度大；Al₂O₃成本低但热导率仅35 W/m·K；AlN热导率达170 W/m·K且CTE与Si接近。金属化方面，直接覆铜(DBC)在250°C以下稳定，而铂(Pt)基方案可耐受1300°C高温。研究还总结了基于这些材料的传感器设计实例，如基于Al₂O₃的LC谐振温度传感器（工作温度1400°C）、SiC压力传感器（500°C/5 MPa）等。

关键技术方法包括：1）基于腔体谐振器、波导等技术测量材料介电性能；2）采用高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)技术实现多层传感器集成；3）应用表面声波(SAW)、互补开环谐振器(CSRR)等传感机制；4）通过直接键合铜(DBC)、活性金属钎焊(AMB)等工艺实现基板金属化。

基板材料与应用

氧化铝及其应用

氧化铝陶瓷因介电常数温度稳定性好，被广泛用于高温传感器。Xu等设计了基于基板集成波导(SIW)的无线无源温度传感器，工作温度达1000°C。Cheng等利用反射贴片技术制作的传感器在1050°C下灵敏度达0.58 MHz/°C，通过监测介电常数变化实现测温。

Ji等开发的LC谐振传感器在1400°C下仍能稳定工作，频率偏移19.7 MHz。

碳化硅及其应用

SiC因其宽禁带(3.2 eV)、高热导率和化学稳定性成为恶劣环境传感的理想材料。Marsi等基于3C-SiC薄膜的压力传感器在500°C和5 MPa压力下灵敏度达0.0127 pF/MPa。Okojie利用4H-SiC制作的压阻式压力传感器可在800°C工作。Sun等开发的SiC纳米片气体传感器在500°C下对丙酮、乙醇等气体响应时间仅8-39秒。

蓝宝石及其应用

蓝宝石各向异性结构和高温稳定性使其适合制作光学与射频传感器。Zhao等开发的光学温度传感器在1750°C下工作10小时，灵敏度0.00113 V^1/2/°C。Shao等的法布里-珀罗光纤压力传感器在1200°C和3 mPa条件下表现优异。Rogers制作的电容式无线压力传感器在1000°C下灵敏度达21.7 kHz/Pa。

共烧陶瓷及其应用

HTCC和LTCC技术可实现传感器多层集成。Tan等利用LTCC制作的温度传感器工作范围达700°C。Zhang等的HTCC传感器在1200°C下温度灵敏度0.009 dB/°C，压力灵敏度23.735 kHz/kPa。Kou设计的CSRR温度传感器在25-1200°C范围内通过频率偏移实现测量。

氮化铝及其应用

AlN的高热导率(170 W/m·K)和低CTE(4.4 ppm/°C)使其适用于高功率场景。Yan等制作的贴片天线传感器在700°C下频率偏移2.20-2.13 GHz，灵敏度104.77 kHz/°C。

Streque等在蓝宝石上生长AlN薄膜的SAW传感器稳定工作至600°C。

氮化硅及其应用

Si₃N₄机械强度高(弯曲强度800 MPa)、抗热震性好，但块状基板稀缺。Zeng等将Si₃N₄膜与石墨烯结合的压力传感器工作温度达420°C。

金属化材料与应用

金属化方案对传感器高温可靠性至关重要。直接键合铝(DBA)在-55至250°C热循环1500小时后无分层。Pt/Pd/Au方案在320°C下经1000次循环仍保持良好机械强度。对于SiC，Ti/TaSi₂/Pt结构在600°C下工作1000小时未失效。纳米晶石墨(NCG)/Pt/Al₂O₃方案在450°C下稳定工作100小时。

研究结论表明，SiC因优异的综合性能最具潜力，但加成本高、金属化难度大限制了应用。Al₂O₃因商用化程度高仍是主流选择，AlN和Si₃N₄分别在高温和机械应力场景有独特优势。未来需开发新材料体系，解决高介电常数基板天线设计难题，探索石墨烯等新兴材料在核辐射传感中的应用。该综述为恶劣环境射频传感器材料选择提供了系统指导，推动了极端工况下无线传感技术的发展。