A passive wireless temperature sensor for harsh environment applications

Abstract

High temperature sensors suitable for operating in harsh environments are needed in order to prevent disasters caused by structure or system functional failures due to elevated temperatures, for example, temperature monitoring of heat resistant tiles of the space shuttle and temperature monitoring of rotating bearings in the aircraft engine. Most existing temperature sensors do not satisfy the needs because these sensors require either physical contact or a battery power supply for signal communication, and furthermore, neither of which can withstand high temperatures nor rotating applications. A novel passive wireless temperature sensor, being able to operate in harsh environments, has been developed in this research project for high temperature rotating component applications. A completely passive LC resonant telemetry scheme, which relies on a frequency shift output, has been integrated with the sensor, thereby eliminating the needs for contacts, active elements, or power supplies within the sensor. Consisting of an inductor and a temperature-dependent capacitor, this high temperature sensor forms a LC circuit, whose resonant frequency changes when the capacitance of the sensor changes in response to temperature. Following a review of the state-of-the-art high temperature dielectric ceramics and substrates, schematic design of the capacitor was presented based on temperature sensitive ferroelectric dielectrics. These dielectrics were found to exhibit linear changes in electrical properties when exposed to temperature varying environments. Based on capacitance and inductance modeling and simulation, sensor design and modeling was conducted subsequently in order to limit the resonant frequency to the appropriate scope. II Moreover, sensor performance was analyzed to optimize the sensor configuration, maximize sensing distance, Q factor and sensitivity. The sensor prototype was then successfully fabricated to prove the concept of a temperature sensing device using passive wireless communication. The Low Temperature Co-fire Ceramic (LTCC) technology based on DuPont Green Tape TM was proposed for sensor packaging. Finally, the sensor prototype was calibrated up to 235ºC in a laboratory setup.

Los sensores de alta temperatura adecuados para operar en ambientes desfavorables son necesarios para prevenir desastres causados por fallos de estructura o fallos funcionales del sistema debido a las altas temperaturas, como por ejemplo, para monitorear la temperatura de baldosas resistentes al calor del transbordador espacial y monitorear la temperatura de los cojinetes rotantes en el motor de un avión. La mayoría de los sensores de temperatura existentes no satisfacen estas necesidades porque estos sensores requieren o bien contactos físicos o un suministro de energía por batería para la comunicación por señal, y adicionalmente, ninguno de estos puede soportar altas temperaturas ni aplicaciones rotatorias. Un nuevo sensor pasivo inalámbrico, capaz de operar en ambientes adversos, fue desarrollado en este proyecto de investigación para aplicaciones a componentes rotantes a altas temperaturas. Un esquema de telemetría resonante LC completamente pasiva, el cual se basa en un cambio en la frecuencia de salida, ha sido integrado con los sensores, por consiguiente eliminando la necesidad de que contactos, elementos activos o fuentes de energía contenidos en el sensor. Compuesto de un inductor y un capacitor dependiente de la temperatura, este sensor de alta temperatura forma un circuito LC, cuya frecuencia de resonancia cambia cuando la capacitancia del sensor varía en respuesta a la temperatura. Siguiendo una revisión de la más moderna tecnología en cerámicas dieléctricas de alta temperatura y substratos, un diseño esquemático del capacitor fue presentado basándose en dieléctricos ferroeléctricos sensibles a la temperatura. Se ha encontrado que estos IV dieléctricos exhiben cambios lineales en las propiedades eléctricas cuando se exponen a ambientes en los que cambia la temperatura. Basado en el modelado y simulación de inductancia y capacitancia, se condujo un diseño esquemático subsecuentemente con el fin de limitar la frecuencia resonante al campo de acción apropiado. Más aún, el desempeño del sensor fue analizado para optimizar la configuración del sensor, maximizar la distancia de sensado, el factor Q y la sensibilidad. El prototipo del sensor fue entonces fabricado exitosamente para probar el concepto de un aparato de medición de temperatura usando comunicación inalámbrica pasiva. La Cerámica de Baja Temperatura Co-fire (LTCC) basada en la tecnología DuPont Green Tape TM fue propuesta para el empaquetamiento del sensor. Finalmente, el prototipo de sensor fue calibrado hasta 235 °C en un montaje de laboratorio.