CN104764557B - 一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器及其制备方法，该传感器由全钨金属微波谐振腔体和SiC微带天线构成，所述全钨金属微波谐振腔体由无盖腔体和腔盖通过Pt糊高温粘结剂粘结而成，所述SiC微带天线包括Pt层微带和SiC，所述SiC微带天线通过Pt糊粘接所述腔盖上；该传感器通过钨金属粉末注射成型制备无盖腔体和腔盖，再使用Pt糊作为高温粘结剂，烧结腔盖、腔体和SiC基微带天线制备所得。本发明采用低热胀系数和高熔点的金属材料作为腔体材料，能实现超高温场合的压力测量，成型方法可靠，同时所设计谐振腔结构简单、零件很少，故装配容易。

Description

一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器及其制 备方法

技术领域

本发明涉及超高温传感领域，具体涉及一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器及其制备方法。

背景技术

超高温(＞500℃)传感是监控、探测和维护涡轮、喷气、冲压等发动机系统及其工作过程所特别需要发展的信息技术和制造能力之一。这些场合存在极端高温，大型发动机如涡轮发动机、冲力发动机工作温度均在1300℃以上，有些场合甚至高达2000℃。这些系统在使用时除了极端高温，还存在巨大压力，压力值甚至高达20Mpa。压力在发动机内部和机壳上非均匀分布，与位置、进气速度等紧密相关。实时全面的了解发动机内部和机壳的温度、压力信息是设计、制造高性能发动机的前提，这就要求仪器与测试技术行业提供相应的耐超高温的温度和压力传感器件与系统。

在超高温环境中，现有基于电子信号的有源器件无法工作。硅基半导体在温度超过400℃时即不正常工作；在极高温度下传感器件甚至发生氧化、烧焦等失效情况；同时导线与器件连接线在高温下性能退化，因此其信号的传输成为超高温传感器工作的关键问题之一。另外超高温环境下电源耐高温、电源更换、维护将是一件极为艰难的任务。因此现在在超高温等恶劣环境中均采用无线无源传感技术。本发明目的在于提供一种耐超高温的无线无源压力传感器。

针对超高温环境的恶劣生存条件，一些研究者和发明人提出了采用基于LC谐振互感耦合理论的无线无源压力传感器，该压力传感器由电感线圈和电容压力敏感头构成的LC振荡回路组成。其工作原理是：当敏感头受到外界压力时，电容变化导致LC电路的谐振频率改变，从而将压力大小的变化转化为谐振频率的变化，利用压力敏感头自身电感线圈耦合一定距离之外的电感天线，最后对天线接收到的信号进行检测并解耦分析，即可得出远端敏感结构上的压力值大 小。然而此种无线无源压力传感器存在传感距离短、信号损失大(品质因数Q低)等问题，因此目前有人提出采用微波谐振腔式无线无源传感技术解决超高温恶劣环境下的压力探测问题。微波谐振腔式无线无源压力传感器相对于LC谐振互感耦合式无线无源压力传感器，具有传感距离大、信号损失低的优势。微波谐振腔式无线无源压力传感器在超高温环境下应用时，通常以耐高温陶瓷为核心材料制成空腔、再在其内壁上涂覆耐高温金属薄层形成谐振腔，此谐振腔在压力环境中时，腔盖(一般较薄)将变形，从而导致整个谐振腔的谐振频率变化，因此通过在其上耦合天线将采集到的谐振频率变化信息发射出去，接收装置接收该谐振频率变化信息并解耦分析即可获得腔所处环境的压力，此即微波谐振腔式无线无源压力传感器基本构成和工作原理。然而在陶瓷材料上涂覆金属存在严重的界面不相容问题，即金属与陶瓷粘接性差，在高温时将导致金属大片剥落和应力残余，严重影响器件的可靠性。

发明内容

为避免并彻底解决目前金属涂层/高温陶瓷谐振腔无线无源超高温压力传感器中金属与陶瓷粘接性差问题，本发明提供了一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器及其制备方法，采用低热胀系数和高熔点的金属材料作为腔体材料，能实现超高温场合的压力测量，成型方法可靠，同时所设计谐振腔结构简单、零件很少，故装配容易。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器，其特征在于，所述传感器由全钨金属微波谐振腔体和SiC微带天线构成，所述全钨金属微波谐振腔体由无盖腔体和腔盖通过Pt糊高温粘结剂粘结而成，所述SiC微带天线包括Pt层微带和SiC，所述SiC微带天线通过Pt糊粘接所述腔盖上。

为解决上述问题，本发明实施例还提供了一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备腔体：

S11、采用纯度为99.0％-100％、粒径小于300目的钨粉做原料，在氩气保护下，采用无水乙醇作为过程控制剂，采用QM-3SP2行星式球磨机进行机械球磨，球磨罐为不锈钢材质，球磨球为GCr15轴承钢球，直径10mm、重500g，球磨速度150-400rpm，球磨时间12-72h，每球磨8-15min，停顿8-15min，得预粉化的钨粉末；

S12、将步骤S11所得的预粉化钨粉末(重量份40-65％)与石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯组成的混合物(重量份35-60％)置于双辊开炼机内混炼，混炼温度为120-165℃，混炼时间为1-2.5h；

S13、将步骤S12所得的原料进行喂料，通过注塑机注射获得零件生坯，注射温度为150-175℃、注射压力为40-80Mpa；

S14、将步骤S13所得的零件生坯依次经过室温溶剂脱脂，1000-1300℃热脱脂，最后在氢气气氛中，经2250-2400℃烧结致密，得腔体；

S2、制备腔盖：

S3、烧结腔盖、腔体和SiC基微带天线：

在腔体开口端面上以及腔盖的一个表面上涂覆Pt浆料，将腔盖盖在腔体上，有Pt糊层的放外面；在SiC的一个表面涂覆Pt层，反复涂覆3次直至Pt糊层厚30-70um，将SiC的无Pt糊层面与腔盖的有Pt糊层面接触，在900-1100℃烧结8-15min，即得成品。

所述步骤S11中球磨球与钨粉的体积比为8∶1-12∶1。

所述步骤S11中无水乙醇的用量为固体体积的15％-25％。

所述腔体为圆形腔、方形腔或异性腔中的一种。所述SiC可以替换为SiNC、SiAlNC或氮化硼。

所述全钨金属可替换为坦、钼或耐高温合金；所述Pt糊可替换为Cr糊。

所述步骤S12中石蜡、高密度聚乙烯和聚丙烯的重量比比例为：石蜡75～80％，高密度聚乙烯为9～14％，聚丙烯为7～10％。

所述步骤S2制备腔盖的方法采用步骤S1中制备腔体的方法制备。

本发明具有以下有益效果：

1)以低热胀系数和高熔点的金属材料作为整个腔体材料的材质，完全规避了金属涂层/高温陶瓷谐振腔中金属与陶瓷粘接性差问题和在高温使用时金属/陶瓷热胀系数不匹配问题、及由热胀系数不匹配引起的应力问题和剥落问题，保证高温压力传感器件的可靠性。

2)耐超高温且热膨胀小。微波谐振腔是以金属限制微波振荡的，因此采用钨不影响微波谐振腔的功能。钨是目前已知的耐超高温金属材料之一，可承受近2000℃的高温；同时具有钨金属材料的低热膨胀系数，因此能够把耐高温、低膨胀结合于一体，而这二种性能是超高温恶劣环境中压力传感器特别需要的。

附图说明

图1为本发明实施例中腔体的结构示意图。

图2为图1中A-A的解剖图。

图3为本发明实施例中腔盖的结构示意图。

图4为图3中B-B的解剖图。

图5为本发明实施例中SiC微带天线中SiC的结构示意图。

图6为图5中C-C的解剖图。

图7为本发明实施例中SiC微带天线中Pt层微带的结构示意图。

图8为图5中D-D的解剖图。

图9为本发明实施例的整体结构示意图。

图10为图9中E-E的解剖图。

图11为图9的俯视图。

图中附图标记为，1-腔体；2-腔盖；3-SiC层；4-Pt糊层烧结后形成的Pt层微带。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。

如图1-11所示，本发明实施例提供了一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器，所述传感器由全钨金属微波谐振腔体和SiC微带天线构成，所述全钨金属微波谐振腔体由无盖腔体和腔盖通过Pt糊高温粘结剂粘结而成，所述SiC微带天线包括Pt层微带和SiC，所述SiC微带天线通过Pt糊粘接所述腔盖上。

实施例

一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备腔体：

S11、采用纯度为99.8％、粒径小于300目的钨粉做原料，在氩气保护下，采用无水乙醇作为过程控制剂，进行机械球磨，球磨速度250rmp，球磨时间24h，由于散热需要，每球磨9min，停顿9min，得52％的钨粉末；其中，球磨球与钨粉的体积比比例为10∶1；无水乙醇的用量为固体的1/5；采用的球磨机为QM-3SP2行星式球磨机，球磨罐为不锈钢材质，球磨球为GCr15轴承钢球，直径10mm、重500g。

S12、将步骤S11所得的52％的钨粉末与48％的石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯组成的混合物置于X(S)K-250型混炼机内混炼，混炼温度为150℃，混炼时间为1.5h；其中，石蜡、高密度聚乙烯和聚丙烯的重量比比例＝78∶12∶10。

S13、将步骤S12所得的原料进行喂料，通过CI-90SE型注射机注射获得腔体生坯，注射温度为165℃、注射压力为65Mpa；

S14、将步骤S13所得的腔体生坯依次经过室温溶剂脱脂，1200℃热脱脂，最后在氢气气氛中，经2320℃烧结致密，得腔体，如图1-2所示；

S2、制备腔盖：

S21、采用纯度为99.8％、粒径小于300目的钨粉做原料，在氩气保护下，采用无水乙醇作为过程控制剂，进行机械球磨，球磨速度250rmp，球磨时间24h，由于散热需要，每球磨9min，停顿9min，得52％的钨粉末；其中，球磨球与钨 粉的体积比比例为10∶1；无水乙醇的用量为固体的1/5；采用的球磨机为QM-3SP2行星式球磨机，球磨罐为不锈钢材质，球磨球为GCr15轴承钢球，直径10mm、重500g。

S22、将步骤S21所得的52％的钨粉末与48％的石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯组成的混合物置于X(S)K-250型混炼机内混炼，混炼温度为150℃，混炼时间为1.5h；其中，石蜡、高密度聚乙烯和聚丙烯的重量比比例＝78∶12∶10。

S23、将步骤S22所得的原料进行喂料，通过CI-90SE型注射机注射获得腔盖生坯，注射温度为165℃、注射压力为65Mpa；

S24、将步骤S23所得的腔盖生坯依次经过室温溶剂脱脂，1200℃热脱脂，最后在氢气气氛中，经2320℃烧结致密，得腔盖，如图2-3所示；

S3、烧结腔盖、腔体和SiC基微带天线：

在腔体开口端面上以及腔盖的一个表面上涂覆Pt浆料，将腔盖盖在腔体上，有Pt糊层的放外面；在SiC的一个表面按图9所示涂覆Pt层，反复涂覆3次直至Pt糊层厚50um，将SiC的无Pt糊层面与腔盖的有Pt糊层面接触，在1000℃烧结10min，即得成品。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器，其特征在于，所述传感器由全钨金属微波谐振腔体和SiC微带天线构成，所述全钨金属微波谐振腔体由无盖腔体和腔盖通过Pt糊高温粘结剂粘结而成，所述SiC微带天线包括Pt层微带和SiC，所述SiC微带天线通过Pt糊粘接所述腔盖上。

2.一种如权利要求1所述的全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备腔体：

S11、采用纯度为99.0％-100％、粒径小于300目的钨粉做原料，在氩气保护下，采用无水乙醇作为过程控制剂，采用QM-3SP2行星式球磨机进行机械球磨，球磨罐为不锈钢材质，球磨球为GCr15轴承钢球，直径10mm、重500g，球磨速度150-400rpm，球磨时间12-72h，每球磨8-15min，停顿8-15min，得预粉化的钨粉末；

S12、将步骤S11所得的预粉化钨粉末与石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯组成的混合物置于双辊开炼机内混炼，混炼温度为120-165℃，混炼时间为1-2.5h；

S13、将步骤S12所得的原料进行喂料，通过注塑机注射获得零件生坯，注射温度为150-175℃、注射压力为40-80Mpa；

S14、将步骤S13所得的零件生坯依次经过室温溶剂脱脂，1000-1300℃热脱脂，最后在氢气气氛中，经2250-2400℃烧结致密，得腔体；

S2、制备腔盖：

S3、烧结腔盖、腔体和SiC基微带天线：

在腔体开口端面上以及腔盖的一个表面上涂覆Pt浆料，将腔盖盖在腔体上，有Pt糊层的放外面；在SiC的一个表面涂覆Pt层，反复涂覆3次直至Pt糊层厚30-70um，将SiC的无Pt糊层面与腔盖的有Pt糊层面接触，在900-1100℃烧结8-15min，即得成品。

3.根据权利要求2所述的一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中球磨球与钨粉的体积比为8∶1-12∶1。

4.根据权利要求2所述的一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中无水乙醇的用量为固体体积的15％-25％。

5.根据权利要求2所述的一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，所述腔体为圆形腔、方形腔或异形腔中的一种。

6.根据权利要求2所述的一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，所述SiC可以替换为SiNC、SiAlNC或氮化硼。

7.根据权利要求2所述的一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，所述全钨金属可替换为坦、钼或耐高温合金；所述Pt糊可替换为Cr糊。

8.根据权利要求2所述的一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中石蜡、高密度聚乙烯和聚丙烯的重量比比例为：石蜡75～80％，高密度聚乙烯为9～14％，聚丙烯为7～10％。

9.根据权利要求2所述的一种全金属微波谐振腔式无线无源超高温压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2制备腔盖的方法采用步骤S1中制备腔体的方法制备。