CN105043605B - 一种基于htcc技术的无源压力敏感头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，包括读取电路储存室、耐高温隔热层、无源压敏微结构和封盖，耐高温隔热层的前端安装有无源压敏微结构，耐高温隔热层的后端安装有读取电路储存室，读取电路储存室中设置有可检测无源压敏微结构中谐振频率变化的天线接收电路，无源压敏微结构的前端设置有封盖，读取电路储存室、耐高温隔热层、无源压敏微结构集成于一个敏感头中，无源压敏微结构采用高温共烧陶瓷氧化铝流延带和导电铂浆的压敏微结构。本发明结构简单，设计合理，稳定性好，灵敏度高，保证了压敏结构在高温环境的性能，可靠性高，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及的是压力传感器技术领域，具体涉及一种工作在800℃以上1个大气压以下高温环境中的基于HTCC技术的无源压力敏感头。
背景技术
高温环境常常使得压力敏感结构性能退化，例如，广泛应用于工业领域的微机械硅压力传感器设计是基于可形变的硅薄膜的压力敏感单元，与压阻或是电容结构结合处理电路完成对数据的采集，但是，MEMS硅压力传感器的外界环境受制于压阻结构的温度敏感性和材料本身的耐高温极限，譬如，在涡轮燃气机的压缩机内，就需要传感器具有可靠的高温稳定性，因此，稳定性是考验传感器在高温条件下使用的关键性问题。
传统传感器与外界需要通过引线完成数据的传输工作，这样数据引线必然经受高温环境的考验，其稳定性难以长期保证，另一方面，电引线和硅传感器的欧姆接触也会在600℃时发生不可逆变化，以目前对金属-半导体欧姆接触的研究成果来看，超过600℃的欧姆接触是难以完成的，如果进一步再通过水冷和隔热方式降低传感器温度，那么将极大增加传感器的复杂性和可靠性，同样，传感器自身的封装问题也将考验着设计人员，较有前途的耐高温材料比如碳化硅、陶瓷材料已经用于制作高温传感器，碳化硅传感器采用柔性薄膜借助压阻方式测量压力数值，这种技术在高温领域显示出较大的应用前途，但是在制作工艺上缺乏像硅那样成熟的封装技术，目前，高温共烧陶瓷技术应用于电路基板制造，在汽车制造、通讯基站和移动电话中的传感器和集成电路等应用方面发展很快。
为了解决压敏结构高温退性能化和电引线接触不良的技术问题，设计一种新型的基于HTCC技术的无源压力敏感头还是很有必要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，结构简单，设计合理，稳定性好，灵敏度高，保证了压敏结构在高温环境的性能，可靠性高，实用性强。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，包括读取电路储存室、耐高温隔热层、无源压敏微结构和封盖，耐高温隔热层的前端安装有无源压敏微结构，耐高温隔热层的后端安装有读取电路储存室，读取电路储存室中设置有可检测无源压敏微结构中谐振频率变化的天线接收电路，无源压敏微结构的前端设置有封盖，读取电路储存室、耐高温隔热层、无源压敏微结构集成于一个敏感头中，可以小型化压力敏感器件，减少其占用空间便于扩大其使用场合。
优选的，所述的无源压敏微结构自上而下设置有七层，第一层为压力敏感层，压力敏感层的正中央为受力形变区域，压力敏感层的下方印刷有电容上级板，电容上级板与环形电感线圈相连；无源压敏微结构的第二层下表面印刷有环形电感线圈，第二层与第一层的环形电感线圈之间通过通孔浆料互联；无源压敏微结构的第三层上表面印刷有电容下级板，下表面印刷电感线圈，第二层与第三层流延片正中央冲孔形成有内埋空腔结构，空腔结构与第一层表面的抽真空口相通；无源压敏微结构的第四层至第六层下表面均印刷有电感线圈，第四层与第三层、第六层与第五层之间的电感线圈均通过通孔浆料互联；所述的电容上级板、电容下级板与多层互联的电感线圈两端连接，电容上级板、电感线圈、电容下级板组成LC谐振电路；所述无源压敏微结构的第四层至第七层通过冲孔形成凹形结构，凹形结构中设置有增强电磁场方向性的耐高温钐钴磁性铁芯；无源压敏微结构采用了多层互联电感线圈以及耐高温钐钴磁性铁芯，极大增强了电感线圈的电感值，并且使得电感线圈发射的电磁波更具方向性，最终可以克服隔热层的阻挡被后端读取电路储存室中的天线所接受；所述无源压敏微结构通过以下步骤制备：
S1、对氧化铝流延带切片，切成2×2cm2的正方形；
S2、按照上述设计要求对七层流延片分别进行冲孔工艺；
S3、在第二层空腔中填入牺牲层流延带作为支撑物用以保持上放压力敏感膜的平整，避免在层压时出现塌陷；
S4、在1500℃下空气氛围中对氧化铝陶瓷和铂金进行高温共烧。
优选的，所述的电容上级板、电容下级板与多层互联的电感线圈的两端连接，电容上级板、电感线圈、电容下级板组成LC谐振电路。
优选的，所述的耐高温隔热层采用氧化铝陶瓷隔热层。
优选的，所述的耐高温隔热层的厚度为2cm。
优选的，所述无源压敏微结构采用氧化铝高温共烧陶瓷流延带结合厚膜印刷技术构建的压敏微结构，无源压敏微结构的无源电路采用厚膜印刷铂金浆料完成。
本发明具有以下有益效果：
无源压力敏感头可以工作在高于800℃、低于1个大气压的高温低压的极端环境，架构工作原理简单，稳定性好，可靠性高，压敏结构本身采用高熔点、高强度的材料来制备，在高温环境下具有鲁棒性，同时兼具可加工性、易封装性，并解决高温下高温退性能化和欧姆接触失效的问题，稳定性好，灵敏度高，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明无源压敏微结构的结构示意图；
图3为本发明的原理图。
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。
一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，包括读取电路储存室1、耐高温隔热层2、无源压敏微结构3和封盖4，耐高温隔热层2的前端安装有无源压敏微结构3，耐高温隔热层2的后端安装有读取电路储存室1，读取电路储存室1中设置有可检测无源压敏微结构3中谐振频率变化的天线接收电路，无源压敏微结构3的前端设置有封盖4，读取电路储存室1、耐高温隔热层2、无源压敏微结构3集成于一个敏感头中，可以小型化压力敏感器件，减少其占用空间便于扩大其使用场合。
值得注意的是，所述的无源压敏微结构3采用氧化铝高温共烧陶瓷流延带结合厚膜印刷技术构建的压敏微结构，无源压敏微结构3的无源电路采用厚膜印刷铂金浆料完成，由于氧化铝陶瓷属于高温共烧陶瓷，其烧结温度高达1500℃，一般使用的银浆料无法与其共烧，因此必须使用耐高温的惰性金属浆料，包括钨、锰、铂金，其中钨、锰的电阻值太大，将会导致电路的品质因数Q减小，不利于LC无源电路与读取电路无线耦合性能的提升，相比之下，铂金电阻较小且耐高温特性良好，最高使用温度高于1500℃，通过将氧化铝流延带与铂金浆料共烧结，可以实现多种埋层结构，由于铂金具有较高的熔点和惰性，使得LC谐振电路在高温下依然不会氧化并正常导通。
此外，所述的耐高温隔热层2采用耐高温氧化铝陶瓷隔热层，其导热系数为7.8W/m·K，耐高温隔热层2的厚度保持在最大2厘米左右，既能保证对前端流入的高温气体有效的阻挡，又能让电磁波信号可以通过隔热层被后端的读取电路天线接收，利用陶瓷粉体成型工艺制备，通过制模脱模工艺得到压力敏感头的外层壳体，用于固定前端的无源压敏微结构3和后端的读取电路储存室1。
本具体实施方式无源压敏微结构3自上而下设置有七层，第一层为压力敏感层，压力敏感层的正中央为受力形变区域，压力敏感层的下方印刷有电容上级板301，电容上级板301与环形电感线圈302相连；无源压敏微结构3的第二层下表面印刷有环形电感线圈302，并通过通孔浆料实现与第一层电感线圈302的互联；无源压敏微结构3的第三层上表面印刷有电容下级板303，下表面印刷电感线圈302，第二层与第三层流延片正中央冲孔形成有内埋空腔结构，空腔结构与第一层表面的抽真空口304相通；无源压敏微结构3的第四层至第六层下表面均印刷有电感线圈302，第四层与第三层、第六层与第五层之间的电感线圈302均通过通孔浆料互联；所述无源压敏微结构3的第四层至第七层通过冲孔形成凹形结构，凹形结构中设置有增强电磁场方向性的耐高温钐钴磁性铁芯305；无源压敏微结构3采用了多层互联电感线圈302以及耐高温钐钴磁性铁芯305，极大增强了电感线圈302的电感值，并且使得电感线圈302发射的电磁波更具方向性，最终可以克服隔热层的阻挡被后端读取电路储存室1中的天线所接受。
电容上级板301、电容下级板303与多层互联的电感线圈302两端连接，电容上级板301、电感线圈302、电容下级板303组成LC谐振电路，当压敏头受到外界均匀压力时，由于外界气压高于内部，将迫使陶瓷压敏薄膜发生弹性形变，导致电容上级板301、电容下级板303间距减小，电容值变大，根据谐振频率f与电感L和电容C的数学关系可知，电容增大将导致LC谐振电路的谐振频率减小，结合高温共烧陶瓷氧化铝流延带和导电铂浆，实现了多层螺旋形电感和可变电容的串联LC谐振电路，多层的螺旋型电感线圈形成的电磁场具有较强的方向性，加之填入耐高温钐钴磁性铁芯305，可以使电磁场的方向性更加集中。
无源压敏微结构3的制备工艺流程：
S1、对氧化铝流延带切片，切成2×2cm2的正方形；
S2、按照上述设计要求对七层流延片分别进行冲孔工艺；
S3、在第二层空腔中填入牺牲层流延带作为支撑物用以保持上放压力敏感膜的平整，避免在层压时出现塌陷；
S4、在1500℃下空气氛围中对氧化铝陶瓷和铂金进行高温共烧。
本具体实施方式利用高温共烧陶瓷的多层叠片工艺技术和厚膜丝网印刷技术，制备出空腔结构，在陶瓷内部实现含可变电容的LC谐振电路，借助空腔上层的弹性陶瓷薄膜，实现对均匀外力响应的符合经典力学规律的弹性形变，最终将外力大小的变化转化为无源LC谐振电路的电参数变化，以电磁波的形式向外传播，在电磁波衰减的有效区域内，被附近的接收天线捕获，实现对电磁信号的采集和读取后端通过频率与压力之间的传输函数得出所测试的压力，其工作原理为：置于高温低压环境中的无源压力敏感头受压后，导致内含可变电容的电容值改变，最终使得内嵌的LC谐振电路的谐振频率发生偏移，借助电磁场的传播和耦合作用和高温隔热层将热量屏蔽后，敏感头后部的含天线接收电路检测到压敏微结构的谐振频率变化后，经过数据处理得到外部环境压力数值，最后存储以便将来数据导出。
本具体实施方式解决压敏结构高温退性能化和电引线接触不良的技术问题，可以在超过800℃的温度下，对外界一个大气压内的变化可以做到灵敏检测，同时给后端的数据读取电路提供安全保护，免受温度的影响，稳定性好，灵敏度高，具有广阔的市场应用前景。
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 (5)
1.一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，其特征在于，包括读取电路储存室(1)、耐高温隔热层(2)、无源压敏微结构(3)和封盖(4)，耐高温隔热层(2)的前端安装有无源压敏微结构(3)，耐高温隔热层(2)的后端安装有读取电路储存室(1)，读取电路储存室(1)中设置有可检测无源压敏微结构(3)中谐振频率变化的天线接收电路，无源压敏微结构(3)的前端设置有封盖(4)，读取电路储存室(1)、耐高温隔热层(2)、无源压敏微结构(3)集成于一个敏感头中，无源压敏微结构(3)采用高温共烧陶瓷氧化铝流延带和导电铂浆的压敏微结构，所述的无源压敏微结构(3)自上而下设置有七层，第一层为压力敏感层，压力敏感层的正中央为受力形变区域，压力敏感层的下方印刷有电容上级板(301)，电容上级板(301)与环形电感线圈(302)相连；无源压敏微结构(3)的第二层下表面印刷有环形电感线圈(302)，第二层与第一层的环形电感线圈(302)之间通过通孔浆料互联；无源压敏微结构(3)的第三层上表面印刷有电容下级板(303)，下表面印刷电感线圈(302)，第二层与第三层流延片正中央冲孔形成有内埋空腔结构，空腔结构与第一层表面的抽真空口(304)相通；无源压敏微结构(3)的第四层至第六层下表面均印刷有电感线圈(302)，第四层与第三层、第六层与第五层之间的电感线圈(302)均通过通孔浆料互联，所述无源压敏微结构(3)的第四层至第七层通过冲孔形成凹形结构，凹形结构中设置有增强电磁场方向性的耐高温钐钴磁性铁芯(305)；所述无源压敏微结构(3)通过以下步骤制备：
S1、对氧化铝流延带切片，切成2×2cm2的正方形；
S2、按照上述设计要求对七层流延片分别进行冲孔工艺；
S3、在第二层空腔中填入牺牲层流延带作为支撑物用以保持上放压力敏感膜的平整，避免在层压时出现塌陷；
S4、在1500℃下空气氛围中对氧化铝陶瓷和铂金进行高温共烧。
2.根据权利要求1所述的一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，其特征在于，所述的电容上级板(301)、电容下级板(303)与多层互联的电感线圈(302)的两端连接，电容上级板(301)、电感线圈(302)、电容下级板(303)组成LC谐振电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，其特征在于，所述的耐高温隔热层(2)采用氧化铝陶瓷隔热层。
4.根据权利要求1所述的一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，其特征在于，所述的耐高温隔热层(2)的厚度为2cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于HTCC技术的无源压力敏感头，其特征在于，所述无源压敏微结构(3)采用氧化铝高温共烧陶瓷流延带结合厚膜印刷技术构建的压敏微结构，无源压敏微结构(3)的无源电路采用厚膜印刷铂金浆料完成。
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2015
- 2015-07-06 CN CN201510387188.4A patent/CN105043605B/zh not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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