CN105004469A

CN105004469A - 一种微波散射原理的无源高温压力传感器与制备方法

Info

Publication number: CN105004469A
Application number: CN201510311744.XA
Authority: CN
Inventors: 谭秋林; 熊继军; 魏坦勇; 陈晓勇; 罗涛; 伍国柱; 张文栋
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2035-06-09
Also published as: CN105004469B

Abstract

本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器及其制备方法，解决现有高温等恶劣环境中压力测量方法存在诸多缺陷的问题，包括圆柱状底座及密封膜片，底座内设置凹形圆柱腔，凹形圆柱腔中心设有四个对称分布的内圆柱，内圆柱高度低于凹形圆柱腔上端面，底座上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表面溅射有金属层；密封膜片上表面丝网溅射有微带天线，下表面整体溅射有接地面，下表面上开设长方形耦合缝隙；底座和密封膜片键合形成微波谐振腔。设计合理，灵敏度高，稳定性好，能在高温高压等恶劣环境下长时间工作，实现了基于微波散射的无线测量的无源高温陶瓷压力传感器。

Description

一种微波散射原理的无源高温压力传感器与制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器及其制备方法。

背景技术

目前，高温、高压下的压力测量主要包括基于压阻效应、压电效应和LC谐振式等测量方法。但上述测量方法在高温下的应用都存在着测试缺点，如基于半导体掺杂工艺形成PN结电桥的压阻器件，在高温下的测量，PN结电子会发生泄露；基于压电效应的压电材料只能在居里温度以内使用；而且这两种测量方式都需要在高温环境中直接引线，同时也带来了寻找可靠高温焊料的难题，基于此类原理的压力传感器无法在高温下长时间工作，因此在高温环境中应用大大受限。基于LC谐振式测量方法无需外接电源、无需导线连接，但在高温环境中存在品质因子低和难以在多金属环境使用等缺点。

发明内容

本发明为了解决现有高温、高压等恶劣环境中压力的测量方法在实际应用中，分别存在上述不同缺陷的问题，提出了一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器及其制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器，其特征是包括由下而上设置的圆柱状底座结构及圆柱状密封膜片，底座结构内设置开口向上的凹形圆柱腔，凹形圆柱腔内设有四个对称凸起的内圆柱，以降低传感器中心频率，内圆柱高度低于凹形圆柱腔上端面，底座结构上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表面溅射有金属层。密封膜片上表面溅射有金属浆料图案作为微带天线，下表面溅射有金属浆料图案作为接地面，同时在下表面上预留有作为微带天线和凹形圆柱腔信号耦合的缝隙；圆柱状底座和圆柱状密封膜片最后键合在一起，形成微波谐振腔。

所述金属层采用0.1～0.2um厚的银金属层。

基于微波散射测量原理的无线无源高温压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）首先，将用量为氧化铝陶瓷粉末重量1.5-5%的丙烯酰胺有机单体和用量为丙烯酰胺有机单体重量4-5%的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂溶于水溶液配成预混液，再将氧化铝陶瓷粉末和用量为氧化铝粉末重量0.03-0.1%的聚丙烯酸酰胺分散剂加入预混液中，借助球磨工艺，形成高固相、低粘度浆料；2）将上述浆料中加入用量为丙烯酰胺有机单体重量0.5-2%的过硫酸铵引发剂和用量为丙烯酰胺有机单体重量0.05-1%的N,N, N,N’-四甲基己二胺催化剂，搅拌均匀后，注入设计好尺寸的模具A中，60℃到80℃环境中加热上述模具，待液态浆料凝固成型形成湿胚；3）将成型的湿胚从模具A中移出，在干燥箱里面保温18～25h进行干燥，得到干胚；4）将得到的干胚进行排胶并置于高温炉中进行1400℃～1550℃高温烧结，形成致密的密封膜片结构；5）将上述密封膜片结构的上表面和下表面分别真空溅射金属层，形成微带天线和接地面结构；6）利用设计好尺寸的模具B，重复上述步骤1）到步骤4）的过程，制备由圆柱状底座、凹形圆柱腔及内圆柱构成的底座结构，然后在底座上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表面真空溅射金属层，制成底座结构；7）将得到的密封膜片结构和底座结构对齐放置好，再次置于高温炉中在850℃～980℃温度下烧结，将银金属融化密封形成一个带气密空腔的整体。

公知，微波谐振腔可以集中较多的能量，且损耗较小，因而它的品质因子远大于集总参数LC谐振式回路的品质因子，本发明将微带天线与微波谐振腔集成一体化，为无线读取的方式，在充分利用尺寸空间的同时，极大的提高了测试的距离；同时，二者集成在耐高温氧化铝陶瓷材料上，极大的扩展了高温下压力测试的范围，因此基于上述微波散射原理的无线无源高温压力传感器，在高温下的压力测量中有着良好的应用前景。

该传感器具有在高温环境下压力测试潜在的优良性能，首先测量方式为基于微波散射测量的无线遥测方式，传感器无需外加电源，为无源工作方式；测量压力用敏感元-凹形谐振腔具有上千以上的Q值；同时该结构能用于多金属等恶劣环境下的压力测量；将微带天线与微波谐振腔集成在一块，使测试距离达到了4cm以上的同时，几乎没有增加传感器的尺寸；最后将微带天线/凹形腔集成溅射在耐高温氧化铝陶瓷材料上，大大提高了高温下压力测量的范围，使传感器能在700℃高温环境中进行压力测试。

总之，本发明所述传感器结构设计合理，制造工艺简便，灵敏度高、稳定性好，能在高温高压等恶劣环境下长时间工作，实现了基于微波散射的无源高温陶瓷压力传感器，在高温下压力的测量中有着良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明键合后的结构示意图；

图2为本发明的装配示意图；

图3为图1中圆柱状密封膜片上表面金属浆料图案的结构示意图；

图4为图1中圆柱状密封膜片下表面金属浆料图案的结构示意图；

图5为图1中圆柱状底座结构的剖视图；

图6为图1中圆柱状底座结构的俯视图；

图7为本发明的微波散射测试原理图；

图8为本发明传感器受压变形图；

图9为本发明模具A的结构示意图；

图10为本发明模具B的结构示意图；

图中：1-圆柱状底座；2-圆柱状密封膜片；3-凹形圆柱腔；4-内圆柱；5-金属层；6-微带天线；7-接地面；8-长方形耦合缝隙；9-微波谐振腔；10-询问天线；11-扫频发射信号；12-谐振腔+微带天线；13-回波反射信号。

具体实施方式

一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器，如图1、2所示，包括由下而上设置的圆柱状底座结构1及圆柱状密封膜片2，如图5、6所示，底座结构内设置开口向上的凹形圆柱腔3，凹形圆柱腔内设有四个对称凸起的内圆柱4，以降低凹形腔的中心频率，内圆柱高度低于凹形圆柱腔上端面，底座结构上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表面溅射有金属层5，金属层采用0.1～0.2um厚的银金属层；如图3所示，密封膜片上表面溅射有金属浆料图案作为微带天线6，如图4所示，下表面丝网溅射有金属浆料图案作为接地面7，同时在下表面上预留作为微带天线和凹形谐振腔信号耦合的缝隙8；如图1所示，圆柱状底座和圆柱状密封膜片键合在一起形成微波谐振腔9。

基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）首先，将用量为氧化铝陶瓷粉末重量1.5%或5%或3%或4%的丙烯酰胺有机单体和用量为丙烯酰胺有机单体重量4%或4.5%或5%的 N,N′-亚甲基双丙烯酰胺交联剂溶于水溶液配成预混液，再将氧化铝陶瓷粉末和用量为氧化铝粉末重量0.03%或0.05%或0.08%或0.1%的聚丙烯酸酰胺分散剂加入预混液中，借助球磨工艺，形成高固相、低粘度浆料；

2）将上述浆料中加入用量为丙烯酰胺有机单体重量0.5%或1%或1.5%或2%的过硫酸铵引发剂和用量为丙烯酰胺有机单体重量0.05%或0.07%或1%的N,N,N,N′-四甲基己二胺催化剂，搅拌均匀后，注入设计好尺寸的模具A中，60℃到80℃环境中加热上述模具，待液态浆料凝固成型形成湿胚；

3）将成型的湿胚从模具A（如图9所示）中移出，在干燥箱里面保温18～25h进行干燥，得到干胚；

4）将得到的干胚进行排胶并置于高温炉中进行1400℃或1450℃或1500℃或1550℃高温烧结，形成致密的头部密封盖结构；

5）将上述头部密封盖结构的上表面和下表面分别真空溅射银金属层，形成微带天线和接地面结构，制成圆柱状密封膜片；

6）利用设计好尺寸的模具B（如图10所示），重复上述步骤1）到步骤4）的过程，制备由圆柱状底座、凹形圆柱腔及内圆柱构成的底座结构，然后在底座上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表面真空溅射银金属层，制成底座结构；

7）将得到的头部密封盖结构和底座结构对齐放置好，再次置于高温炉中在850℃或900℃或950℃或980℃温度下烧结，将银金属融化密封而形成一个带气密空腔的整体。

如图7所示，工作时，询问天线（包含共面波导馈电的超宽带天线、开路波导天线等）发出包含谐振腔谐振频率f ₀在内的扫频信号，被密封膜片上表面微带天线所接收，微带天线通过耦合隙缝与凹形谐振腔耦合，其中接近f ₀的信号在谐振腔内部振荡而被吸收，而其他部分频率信号则被反射出去，被询问天线所接收，通过分析询问天线的S(1,1)或S(2,1)参数可以得到谐振腔的频率f ₀值。

如图8所示，当外界压力增加时，传感器圆柱状密封膜片受压随之向内弯曲变形，圆柱状密封膜片下表面与凸起内圆柱上端面之间的距离d随之减小，则凹形腔的等效电容随之单调增加，导致凹形腔中心频率f ₀随着d的减小单调增加，反射回的回波信号S(1,1)波谷值，或S(2,1)波峰频率值f _p也随之单调增加，f _p与外界压力值存在着单调一一对应关系，因此可以通过分析S(1,1)波谷值，或S(2,1)波峰值频率来推测外界压力的大小，凹形腔中心频率f ₀可通过以下公式计算.

。

Claims

1.一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器，其特征是包括由下而上设置的圆柱状底座结构（1）及圆柱状密封膜片（2），底座结构内设置开口向上的凹形圆柱腔（3），凹形圆柱腔内间隔设有四个对称凸起的内圆柱（4），内圆柱高度低于凹形圆柱腔上端面，底座结构上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表面溅射有金属层（5）；密封膜片上表面溅射有金属浆料图案作为微带天线（6），下表面丝网溅射有金属浆料图案作为接地面（7），同时在下表面上预留有作为微带天线和凹形圆柱腔信号耦合的缝隙（8）；圆柱状底座和圆柱状密封膜片键合在一起形成微波谐振腔（9）。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波散射测量的无源高温压力传感器，其特征是金属层采用0.1～0.2um厚的银金属层。

3.一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1）首先，将用量为氧化铝陶瓷粉末重量的1.5-5%的丙烯酰胺有机单体和用量为丙烯酰胺有机单体重量的4-5%的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂溶于水溶液配成预混液，再将氧化铝陶瓷粉末和用量为氧化铝粉末重量0.03-0.1%的聚丙烯酸酰胺分散剂加入预混液中，借助球磨工艺，形成高固相、低粘度浆料；

2）将上述浆料中加入用量为丙烯酰胺有机单体重量0.5-2%的过硫酸铵引发剂和用量为丙烯酰胺有机单体重量0.05-1%的N,N, N,N’-四甲基己二胺催化剂，搅拌均匀后，注入设计好尺寸的模具A中，60℃到80℃环境中加热上述模具，待液态浆料凝固成型形成湿胚；

3）将成型的湿胚从模具A中移出，在干燥箱里面保温18～25h进行干燥，得到干胚；

4）将得到的干胚进行排胶并置于高温炉中进行1400℃～1550℃高温烧结，形成致密的头部密封盖结构；

5）将上述头部密封盖结构的上表面和下表面分别真空溅射金属层，形成微带天线和接地面结构，制成圆柱状密封膜片；

6）利用设计好尺寸的模具B，重复上述步骤1）到步骤4）的过程，制备由凹形圆柱腔及内圆柱构成的底座结构，然后在底座上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱外表面真空溅射金属层，制成底座结构；

7）将得到的头部密封盖结构和底座结构对齐放置好，再次置于高温炉中在850℃～900℃温度下烧结密封形成一个整体。