CN105067133A - 无线高温温度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于温度传感器及其制作工艺技术领域，针对高温环境下温度参数的急切、苛刻的测试需求，提供了一种无线高温温度传感器及其制作方法，无线高温温度传感器，包括询问天线、微带天线和温度敏感器件，所述微带天线印刷在温度敏感器件上，微带天线和温度敏感器件集成为一体；本发明将温度敏感器件与天线通信技术结合在一起，极大的提高了探测的距离，将天线印刷在耐高温氧化铝陶瓷上，微带天线与温度敏感器件一体化设计，极大的扩展了高温下温度的测试范围，本发明无需外加电源、能远距离非接触式遥测读取信号、品质因子高、能在多金属环境应用，而且制造成本低。

Description

无线高温温度传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于温度传感器及其制作工艺技术领域，具体涉及一种无线高温温度传感器及其制作方法。

背景技术

在高温环境下，目前国内外的测温方法主要有热电偶法，SOI压阻式，LC谐振式温度传感器等。热电偶法是接触式测温，探头置于被测环境中，这种温度传感器冷热端距离远，体积大，而且采用稀有的贵重金属，造价昂贵，使用寿命短。目前国外的SOI压阻式传感器能工作到480℃，国内的SOI压阻式传感器能工作到300℃，在更高温度下，会发生敏感头的机械结构功能退化、连接引线高温失效等问题，因此无法进行更高温度的测量。LC谐振型无线无源传感器采用近场耦合方式，能够在600℃以上，但是探测距离小于2cm。目前市场上虽然有许多基于各种不同物理测量原理进行温度测量的温度传感器，但基于微波散射测量原理的温度传感器目前市场上还没有，在突破更高温度下的基于微波散射读取的传感器因其无需外加电源、能远距离非接触式遥测读取信号、品质因子高、能在多金属环境应用以及制造成本低等优点，而在温度测试方面具有很大的潜在研究价值。针对高温环境下温度参数的急切、苛刻的测试需求，基于微波散射测试原理的敏感器件必将发挥它重要的作用。

发明内容

本发明针对高温环境下温度参数的急切、苛刻的测试需求，提供了一种基于微波散射测量原理进行温度测量的无线高温温度传感器及其制作方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种无线高温温度传感器，包括询问天线、微带天线和温度敏感器件，所述微带天线印刷在温度敏感器件上，微带天线和温度敏感器件集成为一体；所述温度敏感器件由若干介质基片I压合而成，所述微带天线包括辐射贴片I和金属地板I，辐射贴片I位于温度敏感器件的一侧，金属地板I位于温度敏感器件的另外一侧；所述询问天线包括介质基片II、金属地板II和馈电线，所述馈电线包括位于同一表面的三条金属带，馈电线中间金属带的末端连接辐射贴片II，辐射贴片II、馈电线和金属地板II均位于介质基片II的同一侧，辐射贴片II位于介质基片II的中间，金属地板II位于介质基片II的四周，馈电线分别与辐射贴片II和金属地板II相连。

所述介质基片I与介质基片II均采用耐高温氧化铝陶瓷片。

所述馈电线I包括位于同一表面的三条金属带，中间的一条金属带为信号带，位于信号带两边的金属带分别为接地带。

所述无线高温温度传感器的制作包括温度敏感器件与微带天线集成一体化的制作和询问天线的制作，其具体的制作工艺步骤为：

a.温度敏感器件与微带天线集成一体化的具体制作工艺步骤为：

（1）调用打孔文件，将介质基片I的定位孔结构通过打孔机形成；

（2）将辐射贴片I的金属图形网版置于丝网印刷机上，加入浆料，对第1层介质基片I进行微带天线辐射贴片I图形的丝网印刷；

（3）将金属地板I的金属图形网版置于丝网印刷机上，加入浆料，对第5层介质基片I进行微带天线金属地板I图形的丝网印刷；

（4）将印刷好后的各层介质基片I置于烘干炉中加热，使浆料干结；

（5）将1、2、3、4、5层介质基片I进行叠片；

（6）将叠片完成后的结构真空封装后置于层压机中进行层压；

（7）将层压后的介质基片I在烧结炉中进行烧结。

b.询问天线的具体制作工艺步骤为：

（1）先制作出辐射贴片II、馈电线I和金属地板II图形的网版；

（2）将图形网版固定在工作台上，介质基片II置于图形网版之下，使其紧密接触；

（3）添加金属浆料到图形网版上，进行丝网印刷；

（4）将印刷好后的介质基片II置于烘干炉中加热，使浆料干结；

（5）将烘干的介质基片II在烧结炉里烧结。

本发明的有益效果：

本发明将温度敏感器件与天线通信技术结合在一起，探测距离能达到7cm以上，极大化的提高了探测的距离，将天线印刷在耐高温氧化铝陶瓷上，微带天线与温度敏感器件一体化设计，极大的扩展了高温下温度的测试范围，能够测量1000℃以上的温度值。本发明无需外加电源、能远距离非接触式遥测读取信号、品质因子高、能在多金属环境应用，而且制造成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为微带天线和温度敏感器件一体化的结构主视图；

图3为微带天线和温度敏感器件一体化的结构侧视图；

图4为询问天线主视图；

图5为询问天线侧视图；

图6为馈电线的结构示意图；

图7为无线高温温度传感器测试结构；

图8为回波损耗参数S11仿真结果与实际测试结果对比图（其中：A为仿真结果，B为实际测试结果）；

图9为询问天线探测的原始传感器信号；

图10为有无传感器时域信号的区别；

图11为经过时域门方法分析后的传感器信号；

图12为时域门分析前的频域信号S11参数与频率的关系曲线图；

图13为时域门分析后的频域信号S11参数与频率的关系曲线图；

图中：1-询问天线，2-微带天线，3-温度敏感器件，4-扫频发射信号，5-回波反射信号，6-介质基片I，7-金属地板I，8-辐射贴片I，9-介质基片II，10-金属地板II，11-辐射贴片II，12-馈电线，13-信号带，14-接地带，15-加热台，16-网络分析仪，17-一体化温度传感器。

具体实施方式

如图1所示，一种无线高温温度传感器，包括询问天线1、微带天线2和温度敏感器件3，所述微带天线2印刷在温度敏感器件3上，微带天线2和温度敏感器件3集成为一体；如图2、3所示，所述温度敏感器件3由若干介质基片I6压合而成，所述微带天线2包括辐射贴片I8和金属地板I7，辐射贴片I8位于温度敏感器件3的一侧，金属地板I7位于温度敏感器件3的另外一侧；如图4、5、6所示，所述询问天线1包括介质基片II9、金属地板II10和馈电线12，所述馈电线12包括位于同一表面的三条金属带，中间的一条金属带为信号带13，位于信号带13两边的金属带分别为接地带14，馈电线12中间的一条金属带的末端连接辐射贴片II11，辐射贴片II11、馈电线12和金属地板II10均位于介质基片II9的同一侧，辐射贴片II11位于介质基片II9的中间，金属地板II10位于介质基片II9的四周，馈电线12分别与辐射贴片II11和金属地板II10相连。

所述介质基片I6与介质基片II9均采用耐高温氧化铝陶瓷片。

所述无线高温温度传感器的制作包括温度敏感器件与微带天线集成一体化的制作和询问天线的制作，其具体的制作工艺步骤为：

a.温度敏感器件3与微带天线2集成一体化的制作工艺采用LTCC（低温共烧陶瓷）技术，其具体制作工艺步骤为：

（1）调用打孔文件，将介质基片I6的定位孔结构通过打孔机形成；

（2）将辐射贴片I8的金属图形网版置于丝网印刷机上，加入浆料，对第1层介质基片I6进行微带天线辐射贴片I8图形的丝网印刷；

（3）将金属地板I7的金属图形网版置于丝网印刷机上，加入浆料，对第5层介质基片I6进行微带天线金属地板I7图形的丝网印刷；

（4）将印刷好后的各层介质基片I6置于烘干炉中加热，使浆料干结；

（5）将1、2、3、4、5层介质基片I6进行叠片，如图3所示；

（6）将叠片完成后的结构真空封装后置于层压机中进行层压；

（7）将层压后的介质基片I6在烧结炉中进行烧结。

b.本发明的询问天线采用共面波导天线，可以在一定程度上减小天线的尺寸，同时带来较宽的频带宽度，共面波导天线制作工艺主要通过丝网印刷来完成，其具体制作工艺步骤为：

（1）先制作出辐射贴片II11、馈电线12和金属地板II10图形的网版；

（2）将图形网版固定在工作台上，介质基片II9置于图形网版之下，使其紧密接触；

（3）添加金属浆料到图形网版上，进行丝网印刷；

（4）将印刷好后的介质基片II9置于烘干炉中加热，使浆料干结；

（5）将烘干的介质基片II9在烧结炉里烧结。

本发明中微带天线与温度敏感器件结构长宽各4cm，厚0.5mm；询问天线长8cm，宽5cm，厚0.8mm，可测量1000℃以上的温度值，探测距离能达到7cm以上。

本发明的无线高温温度传感器的工作原理：本发明涉及高温环境下无线温度测量，结合天线遥测理论和温度传感器的应用。针对目前高温环境下温度参数的获取问题，将温度敏感器件与天线通信技术结合在一起，探测距离能达到7cm以上，极大化的提高了探测的距离，将天线印刷在耐高温氧化铝陶瓷上，微带天线与温度传感器一体化设计，极大的扩展了高温下温度的测试范围，能够测量的温度超过1000℃。

基于微带天线的温度传感器，敏感机理是所用陶瓷介质基底的介电常数随着温度的升高而增大，陶瓷基底介电常数的增大导致微带天线的中心频率减小，由于微带天线的频带窄，询问天线的频段比较容易覆盖微带天线的频段，因此通过询问天线发射宽频段的扫频发射信号到应答天线，作为应答天线的微带天线接收到从询问天线发射出来的电磁波信号后，与应答天线谐振频率相近波段的频率部分会进入传感器并发生谐振，随着时间能力逐渐衰减为零，其余波段的频率则被散射出去，被询问天线接收，通过网络分析仪对S11参数的分析显示，即获得了原始信号，但是原始信号中包含杂波影响，其中主要因素为环境背景杂波，针对环境背景对响应信号的干扰，采用时域门方法将获取传感器放入前后的时域信号作对比，提取由传感器响应引起的时域信号片段，过滤由背景干扰引起的时域信号片段；通过提取天线回波信号，实现传感器信号的遥测读取。

本发明的无线高温温度传感器的测试说明：将微带天线2与温度敏感器件3相集成的一体化温度传感器17置于加热台15上，在其上距离3厘米处水平放置询问天线1，询问天线1与网络分析仪16相连，结构如图7所示。

回波损耗S11是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如，如果注入1mW(0dBm)功率给放大器其中10%被反射(反弹)回来，回波损耗就是10dB。从数学角度看，回波损耗为10lg[(入射功率)/(反射功率)]。回波损耗通常在输入和输出都进行规定。回波损耗参数S11仿真结果与实际测试结果对比如图8所示。

原始信号中包含杂波影响，其中主要因素为环境背景杂波，针对环境背景对响应信号的干扰，采用时域门方法将获取传感器放入前后的时域信号作对比，提取由传感器响应引起的时域信号片段，过滤由背景干扰引起的时域信号片段；通过提取天线回波信号，实现传感器信号的遥测读取，图9、图10、图11分别为由频域信号转为时域信号再转为频率信号的过程，图12、图13分别为在50℃到400℃范围内，2.1GHz-2.4GHz扫频范围内时域门分析前和时域门分析后的频域信号S11参数与频率的关系曲线，其中，温度传感器的谐振频率随温度升高而逐渐降低。

Claims (4)

1.一种无线高温温度传感器，其特征在于：包括询问天线（1）、微带天线（2）和温度敏感器件（3），所述微带天线（2）印刷在温度敏感器件（3）上，微带天线（2）和温度敏感器件（3）集成为一体；所述温度敏感器件（3）由若干介质基片I（6）压合而成，所述微带天线（2）包括金属地板I（7）和辐射贴片I（8），辐射贴片I（8）位于温度敏感器件（3）的一侧，金属地板I（7）位于温度敏感器件（3）的另外一侧；所述询问天线（1）包括介质基片II（9）、金属地板II（10）和馈电线（12），所述馈电线（12）包括位于同一表面的三条金属带，馈电线（12）中间金属带的末端连接辐射贴片II（11），辐射贴片II（11）、馈电线（12）和金属地板II（10）均位于介质基片II（9）的同一侧，辐射贴片II（11）位于介质基片II（9）的中间，金属地板II（10）位于介质基片II（9）的四周，馈电线（12）分别与辐射贴片II（11）和金属地板II（10）相连。

2.根据权利要求1所述的一种无线高温温度传感器，其特征在于：所述介质基片I（6）与介质基片II（9）均采用耐高温氧化铝陶瓷片。

3.根据权利要求1所述的一种无线高温温度传感器，其特征在于：所述馈电线（12）包括位于同一表面的三条金属带，中间的一条金属带为信号带（13），位于信号带（13）两边的金属带分别为接地带（14）。

4.所述权利要求1中的无线高温温度传感器的制作包括温度敏感器件与微带天线集成一体化的制作和询问天线的制作，其具体的制作工艺步骤为：

a.温度敏感器件（3）与微带天线（2）集成一体化的具体制作工艺步骤为：

（1）调用打孔文件，将介质基片I（6）的定位孔结构通过打孔机形成；

（2）将辐射贴片I（8）的金属图形网版置于丝网印刷机上，加入浆料，对第1层介质基片I（6）进行微带天线辐射贴片I（8）图形的丝网印刷；

（3）将金属地板I（7）的金属图形网版置于丝网印刷机上，加入浆料，对第5层介质基片I（6）进行微带天线金属地板I（7）图形的丝网印刷；

（4）将印刷好后的各层介质基片I（6）置于烘干炉中加热，使浆料干结；

（5）将1、2、3、4、5层介质基片I（6）进行叠片；

（6）将叠片完成后的结构真空封装后置于层压机中进行层压；

（7）将层压后的介质基片I（6）在烧结炉中进行烧结；

b.询问天线（1）的具体制作工艺步骤为：

（1）先制作出辐射贴片II（11）、馈电线（12）和金属地板II（10）图形的网版；

（2）将图形网版固定在工作台上，介质基片II（9）置于图形网版之下，使其紧密接触；

（3）添加金属浆料到图形网版上，进行丝网印刷；

（4）将印刷好后的介质基片II（9）置于烘干炉中加热，使浆料干结；

（5）将烘干的介质基片II（9）在烧结炉里烧结。