CN103017945A - 高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力传感器领域，具体是一种高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器及其加工方法。能够长时间在特殊高温环境下实现有效的压力测试。包括感压陶瓷件，感压陶瓷件内设密闭腔室，感压陶瓷件上、下平面上皆设电极层、平面螺旋电感，两电极层构成电容；电容与两平面螺旋电感串联形成LC回路。加工步骤含：a、流延；b、打孔；c、叠片、填充；d、层压、热切；e、高温烧结；f、印刷、低温烧结；g、空腔密封。本发明以全新角度设计和实现传感器敏感元件的具体结构，结构巧妙、合理，实现了基于LC谐振原理、以非接触性无线方式进行检测的无源无线高温陶瓷压力传感器，能够在300℃以上高温环境下长时间进行压力测试。

Description

高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器及其加工方法

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体是一种高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器及其加工方法。

背景技术

航空航天等领域中的一些特殊环境属于高温环境，其环境温度超出了现有测试装置的工作温度范围（由极值给出的使传感器正常工作的环境温度范围），因此，将现有测试装置应用于航空航天等领域中存在一定的局限性，现有测试装置只能应用于温度变化在其工作温度范围内的环境中，无法应用于特殊高温环境。例如：500℃以上高温环境下的压力测试，现有压力传感器普遍采用硅材料制成，此类压力传感器一般只能工作在100~200℃范围内，原因在于：1、高温下硅材料本身的电学性能、力学性能会发生改变，硅器件的工作温度>150℃时，电学性能不稳定；>500℃时，力学性能不稳定；>600℃时，半导体杂质扩散，不可逆电参数漂移。2、传感器中电连接所用金属引线是良热导体，引线传热会导致电源、信号电路的温度升高，在航空航天领域中弹载飞行无法向环境散热的情况下，尤为严重，会导致测试系统迅速失效，也说明了金属引线在高温下应用的局限性。

目前，有些研究工作者采用增设防护措施、或者多次隔离、或者增设气压导引管等方式对现有压力传感器进行改进，经实验验证，改进后的压力传感器大多数也只能在300℃左右工作，但是防热、隔热结构的引入造成了器件体积的增大，气压导引管的引入引起了测试信号的失真，直接影响了测试结果；国外现状相对要好一些，有些压力传感器可在400~500℃范围内工作，但其工作时间都不能太久。

发明内容

本发明为了能够长时间在特殊高温环境下实现有效的压力测试，提供了一种高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器及其加工方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器，包括用于敏感压力变化的感压陶瓷件，感压陶瓷件内设有密闭腔室，感压陶瓷件的上、下平面上与密闭腔室正对的区域为压力敏感区（即压力敏感区受压形变能引起密闭腔室的高度变化）；感压陶瓷件上、下平面的压力敏感区表面分别设有电极层，两电极层构成电容；感压陶瓷件上、下平面上非压力敏感区的表面设有平面螺旋电感，平面螺旋电感一端与同面电极层相连，一端与另一面的平面螺旋电感相连，两电极层构成的电容与两平面螺旋电感串联形成LC回路。其中，所述陶瓷压力传感器的感压陶瓷件为三层结构体。

本发明所述高温陶瓷压力传感器实质是由电感线圈（即平面螺旋电感）、与压力相关的可变电容串联形成的LC回路，LC回路中可变电容的大小除与感压陶瓷件结构的固有参数有关外，同时与压力导致的电容两电极层间距变化量（即感压陶瓷件内密闭腔室的高度变化量）有关，在压力作用下，电容的两电极层间距变化，电容的大小发生变化，则LC回路的谐振频率f也将改变，因此，通过检测LC回路谐振频率的变化，即可以获得施加于本发明所述传感器上的压力大小。

在以本发明所述高温陶瓷压力传感器实施压力测试时，如图3所示，采用线圈耦合方式无线检测LC回路的谐振频率，即采用一个以检测线圈为天线的测量电路在本发明所述高温陶瓷压力传感器附近进行扫频测量，由作为天线的检测线圈产生交变磁场，当检测线圈靠近LC回路时，则会将交变磁场的能量通过LC回路中的电感线圈耦合到LC回路中，由于检测线圈和LC回路电感线圈的耦合，使得检测线圈上有一个明显的电压降，这个压降点就是谐振频率点；通过检测谐振频率点的变化量，即可以计算出施加于本发明所述传感器上的压力大小。

高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器的加工方法，加工步骤如下：

a、流延，采用流延成型工艺加工获得生瓷带，所述生瓷带用于实现感压陶瓷件的顶瓷层、中瓷层及底瓷层； 

b、打孔，采用打孔工艺在用于实现感压陶瓷件顶瓷层和中瓷层的生瓷带上分别开设通孔阵列（即生瓷带上的通孔呈阵列式排布），获得感压陶瓷件的顶瓷层和中瓷层；顶瓷层上通孔的位置与中瓷层上通孔的边沿在两瓷层对位叠置时相交或内切；

c、叠片、填充，将中瓷层叠置于底瓷层上，在中瓷层的通孔处填充能在高温下挥发的挥发性有机物，然后在中瓷层上对位叠置顶瓷层，使顶瓷层的通孔与中瓷层通孔的边沿相交或内切，形成三瓷层结构； 

d、层压、热切，对三瓷层结构进行层压处理，然后依据顶瓷层和中瓷层上通孔的阵列排布，对三瓷层结构进行热切，获得与顶瓷层或中瓷层上通孔等数量的感压陶瓷件坯体，且感压陶瓷件坯体的顶瓷层和中瓷层上皆具有完整的单个通孔； 

e、高温烧结，将各感压陶瓷件坯体置于两平整的高温陶瓷承烧板之间（以防感压陶瓷件的各层在烧结软化时弯曲变形），然后放入高温烧结炉中进行高温烧结；高温烧结过程中，中瓷层通孔处填充的挥发性有机物经由顶瓷层上的通孔挥发；经降温冷却后，得到内有空腔结构的感压陶瓷件；

f、印刷、低温烧结，采用丝网印刷工艺，在感压陶瓷件的上、下平面印刷电极层、与电极层连接的平面螺旋电感，在感压陶瓷件的侧面印刷连接两平面螺旋电感的连接层，电极层位于感压陶瓷件上、下平面与空腔结构正对的区域表面（即压力敏感区表面），平面螺旋电感位于感压陶瓷件上、下平面与空腔结构正对区域外的区域表面（即非压力敏感区表面）；然后，将感压陶瓷件放入烧结炉中进行低温烧结；

g、空腔密封，在感压陶瓷件顶瓷层的通孔内填充高温玻璃粉体，然后将感压陶瓷件放入烧结炉中进行低温烧结，使高温玻璃粉体融化，将感压陶瓷件顶瓷层的通孔密封，在感压陶瓷件内形成密闭腔室，得到压力传感器成品。

所述流延成型工艺、打孔工艺、层压处理、热切、高温烧结、丝网印刷工艺、低温烧结是现有公知技术。

与现有技术相比，本发明所述传感器的敏感元件是高温陶瓷质地的压敏结构，敏感元件的高温陶瓷质地决定了其在高温环境下元件性能的稳定性，为传感器在高温环境下实现有效压力测量提供了必要条件；敏感元件的压敏结构采用LC回路结构，以内设密闭腔室的感压陶瓷件实现LC回路的压敏电容，并作为平面螺旋电感的载体，结构巧妙地实现了无源敏感元件，压力测试时，能量通过扫频测量电路的检测线圈（天线）以射频激励方式耦合到无源敏感元件的LC回路中，扫频测量电路通过检测线圈测量无源敏感元件LC回路的谐振频率，依据LC回路谐振频率的变化，计算获得施加于本发明所述传感器上的压力大小，敏感元件和扫频测量电路之间没有引线连接，以非接触性无线检测方式实现了高温环境下的压力测试，避免了现有技术中电连接引线传热带来的高温难题。

另外，本发明所述传感器的加工方法将高温烧结工艺与低温烧结工艺相结合，在烧结过程中采用多步烧结的非共烧方式加工传感器敏感元件，突破以往低温共烧与高温共烧存在的弊端，解决了各材料烧结过程中热膨胀影响不匹配问题，更好地实现了感压陶瓷件内密闭腔室的平整性和完好性。

本发明以全新角度设计和实现传感器敏感元件的具体结构，结构巧妙、合理，实现了基于LC谐振原理、以非接触性无线方式进行检测的无源无线高温陶瓷压力传感器，能够在300℃以上高温环境下长时间进行压力测试。

附图说明

图1为本发明所述传感器的结构示意图；

图2为本发明所述加工方法的工艺流程图； 

图3为本发明所述传感器的测试原理图；

图中：1-感压陶瓷件；2-密闭腔室；3-电极层；4-平面螺旋电感；5-顶瓷层；6-中瓷层；7-底瓷层；8-顶瓷层上通孔；9-中瓷层上通孔；其中，图2为加工单个传感器的工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示，高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器，包括用于敏感压力变化的感压陶瓷件1，感压陶瓷件1内设有密闭腔室2，感压陶瓷件1的上、下平面上与密闭腔室2正对的区域为压力敏感区；感压陶瓷件1上、下平面的压力敏感区表面分别设有电极层3，两电极层3构成电容；感压陶瓷件1上、下平面上非压力敏感区的表面设有平面螺旋电感4，平面螺旋电感4一端与同面电极层3相连，一端与另一面的平面螺旋电感4相连，两电极层3构成的电容与两平面螺旋电感4串联形成LC回路。其中，所述陶瓷压力传感器的感压陶瓷件为三层结构体。

高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器的加工方法，如图2所示，加工步骤如下：

a、流延，采用流延成型工艺加工获得生瓷带，所述生瓷带用于实现感压陶瓷件的顶瓷层5、中瓷层6及底瓷层7；其中，生瓷带的厚度以100μm为最佳，但仍可对生瓷带的厚度进行调整，用以满足传感器不同性能要求的需要；本发明所述传感器是高温陶瓷压力传感器，以流延成型工艺加工生瓷带所用的高温陶瓷粉体材料有很多种选择，例如：氧化锆（ZrO2）陶瓷粉体、三氧化二铬（Cr₂O₃）陶瓷粉体、二硼化锆（ZrB₂）陶瓷粉体等高温陶瓷粉体材料，具体如何选择合适的高温陶瓷粉体、如何确定高温陶瓷粉体与有机塑化剂的组分比例是本领域技术人员的公知常识。 

b、打孔，采用打孔工艺在用于实现感压陶瓷件顶瓷层和中瓷层的生瓷带上分别开设通孔阵列，获得感压陶瓷件的顶瓷层和中瓷层；顶瓷层上通孔8的位置与中瓷层上通孔9的边沿在两瓷层对位叠置时相交或内切； 

c、叠片、填充，将中瓷层叠置于底瓷层上，在中瓷层的通孔处填充能在高温下挥发的挥发性有机物，然后在中瓷层上对位叠置顶瓷层，使顶瓷层的通孔与中瓷层通孔的边沿相交或内切，形成三瓷层结构；所述挥发性有机物有很多种选择，例如：1,3,5-三氯苯、萘、三氯苯酚等等。

d、层压、热切，对三瓷层结构进行层压处理，然后依据顶瓷层和中瓷层上通孔的阵列排布，对三瓷层结构进行热切，获得与顶瓷层或中瓷层上通孔等数量的感压陶瓷件坯体，且感压陶瓷件坯体的顶瓷层和中瓷层上皆具有完整的单个通孔；其中，感压陶瓷件坯体顶瓷层的通孔最好处于感压陶瓷件坯体的中央位置处。对三瓷层结构进行的层合处理可以按如下步骤实现：将三瓷层结构置于两个金属钢板之间，并真空包装在密封袋内，然后在15Mpa水压、75℃条件下进行层压25min；层压处理后，在70℃温度条件下进行热切。 

e、高温烧结，将各感压陶瓷件坯体置于两平整的高温陶瓷承烧板之间，然后放入高温烧结炉中进行高温烧结；高温烧结过程中，中瓷层通孔处填充的挥发性有机物经由顶瓷层上的通孔挥发；经降温冷却后，得到内有空腔结构的感压陶瓷件；

f、印刷、低温烧结，采用丝网印刷工艺，在感压陶瓷件的上、下平面印刷电极层3、与电极层3连接的平面螺旋电感4，在感压陶瓷件的侧面印刷连接两平面螺旋电感的连接层，电极层位于感压陶瓷件上、下平面与空腔结构正对的区域表面（即压力敏感区表面），平面螺旋电感位于感压陶瓷件上、下平面与空腔结构正对区域外的区域表面（即非压力敏感区表面）；然后，将感压陶瓷件放入烧结炉中进行低温烧结；印刷时所用的主要材料建议以Ag浆料为主。

g、空腔密封，在感压陶瓷件顶瓷层的通孔内填充高温玻璃粉体，然后将感压陶瓷件放入烧结炉中进行低温烧结，使高温玻璃粉体融化，将感压陶瓷件顶瓷层的通孔密封，在感压陶瓷件内形成密闭腔室，得到压力传感器成品。为保证感压陶瓷件内密闭腔室的密封性能完好，可对压力传感器成品进行密封性能测试。

具体实施时，如图2中打孔步骤所示，中瓷层上的通孔可以由辅助通孔和用于实现密闭腔室的主通孔构成，辅助通孔位于主通孔外沿、且与主通孔连通；其中，辅助通孔在高温烧结步骤中，作为排气通道使用；在空腔密封步骤中，与顶瓷层上的通孔共同用于实现密封，并能有效避免高温玻璃粉体融化流入主通孔，利于减少高温玻璃粉体融化后对主通孔的影响。 

在加工本发明所述传感器时，应合理地调节每步的材料烧结，控制好每步材料的烧结温度，使得每步烧结最高温度在各类材料所能承受的极限温度内，这样通过多步烧结后得到的敏感元件，从理论上就能很好地工作极限温度内。以下罗列了加工时需注意的一些情况：1、Ag浆料要在850℃之上才能被氧化，所以在烧结含Ag浆料的平面螺旋电感和电极层时，温度必须控制在850℃；2、高温烧结温度最高到1500℃，在烧结顺序上，排在最前；3、对于感压陶瓷件上预留的排气孔（即感压陶瓷件顶瓷层上的通孔），在高温烧结后进行密封处理，采用高温玻璃粉体作为密封材料，高温玻璃粉体的融化温度在800℃，烧结过程中需合理地控制温度进行慢烧。综合上述三步烧结过程中最高温度的烧结关系分析得到，最终烧结得到的敏感元件从理论上能工作在800℃温度之下，而经实验测试证明其能工作在650℃，无故障。

Claims (3)

1.一种高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器，其特征在于：包括用于敏感压力变化的感压陶瓷件（1），感压陶瓷件（1）内设有密闭腔室（2），感压陶瓷件（1）的上、下平面上与密闭腔室（2）正对的区域为压力敏感区；感压陶瓷件（1）上、下平面的压力敏感区表面分别设有电极层（3），两电极层（3）构成电容；感压陶瓷件（1）上、下平面上非压力敏感区的表面设有平面螺旋电感（4），平面螺旋电感（4）一端与同面电极层（3）相连，一端与另一面的平面螺旋电感（4）相连，两电极层（3）构成的电容与两平面螺旋电感（4）串联形成LC回路。

2.根据权利要求1所述的高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器，其特征在于：所述陶瓷压力传感器的感压陶瓷件（1）为三层结构体。

3.一种高温环境下压力测试用高温陶瓷压力传感器的加工方法，其特征在于加工步骤如下：

a、流延，采用流延成型工艺加工获得生瓷带，所述生瓷带用于实现感压陶瓷件的顶瓷层（5）、中瓷层（6）及底瓷层（7）； 

b、打孔，采用打孔工艺在用于实现感压陶瓷件顶瓷层和中瓷层的生瓷带上分别开设通孔阵列，获得感压陶瓷件的顶瓷层和中瓷层；顶瓷层上通孔（8）的位置与中瓷层上通孔（9）的边沿在两瓷层对位叠置时相交或内切；

c、叠片、填充，将中瓷层叠置于底瓷层上，在中瓷层的通孔处填充能在高温下挥发的挥发性有机物，然后在中瓷层上对位叠置顶瓷层，使顶瓷层的通孔与中瓷层通孔的边沿相交或内切，形成三瓷层结构； 

d、层压、热切，对三瓷层结构进行层压处理，然后依据顶瓷层和中瓷层上通孔的阵列排布，对三瓷层结构进行热切，获得与顶瓷层或中瓷层上通孔等数量的感压陶瓷件坯体，且感压陶瓷件坯体的顶瓷层和中瓷层上皆具有完整的单个通孔； 

e、高温烧结，将各感压陶瓷件坯体置于两平整的高温陶瓷承烧板之间，然后放入高温烧结炉中进行高温烧结；高温烧结过程中，中瓷层通孔处填充的挥发性有机物经由顶瓷层上的通孔挥发；经降温冷却后，得到内有空腔结构的感压陶瓷件；

f、印刷、低温烧结，采用丝网印刷工艺，在感压陶瓷件的上、下平面印刷电极层、与电极层连接的平面螺旋电感，在感压陶瓷件的侧面印刷连接两平面螺旋电感的连接层，电极层位于感压陶瓷件上、下平面与空腔结构正对的区域表面，平面螺旋电感位于感压陶瓷件上、下平面与空腔结构正对区域外的区域表面；然后，将感压陶瓷件放入烧结炉中进行低温烧结；

g、空腔密封，在感压陶瓷件顶瓷层的通孔内填充高温玻璃粉体，然后将感压陶瓷件放入烧结炉中进行低温烧结，使高温玻璃粉体融化，将感压陶瓷件顶瓷层的通孔密封，在感压陶瓷件内形成密闭腔室，得到压力传感器成品。

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