CN105136350A - 一种近场耦合无线无源超高温压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场耦合无线无源超高温压力传感器及其制备方法，该传感器由近场耦合力敏结构、耐高温波导和耐高温天线构成，所述近场耦合力敏结构由平面谐振器、介质层或金属与介质复合层构成，所述介质层或金属与介质复合层构成力敏膜，平面谐振器和介质层或金属层之间使用空心耐高温筒体隔开。本发明以近场耦合理论作为压力信号、电磁场耦合依据设计力敏结构，极大的减少了传感器体积和压力信号、电磁场耦合灵敏度；基于近场耦合理论的近场耦合力敏结构无需侧壁涂覆金属，降低了加工难度，避免了腔内壁转角、折弯及形状突变处金属涂覆，保证了金属涂层与基片粘接可靠性，进而保证本超高温压力传感器可靠性。

Description

一种近场耦合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，具体涉及一种近场耦合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。

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。然而在陶瓷腔侧壁上涂覆金属很难，特别是微陶瓷腔(如传感器的微腔多在几十微米至数毫米大小之间)上侧壁小，非常不利于侧壁涂覆加工。同时因为陶瓷腔内四壁都涂上金属时，腔内壁转角、折弯及形状突变处，金属涂层的应力非常大，这些地方是金属涂层与陶瓷粘接的薄弱处，极易造成金属涂层开裂、剥落，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带来的上述加工问题和后续使用可靠性问题，本发明提供了一种近场耦合无线无源超高温压力传感器及其制备方法，设计采用基于近场耦合原理的新谐振腔结构，以距离很近的介质层或金属层与平面谐振器构成近场耦合结构作为本超高温压力传感器的力敏结构。所述平面谐振器很近的空间里(即近场)存在电磁倐逝场，极易受到外部扰动，可作为感受外界变化的灵敏探针。因此当所述近场耦合结构中的介质层或金属层受到外部气压或者力作用时，发生变形，改变了介质层或金属层与平面谐振器之间的距离，使介质层或金属层与平面谐振器之间的电磁倐逝场发生重排，进而影响平面谐振器的谐振频率和辐射效率。再在平面谐振器侧面连接一个耐高温天线或者下部复合一个耐高温天线作为所述力敏结构的信号传输单元，即可无线发送、传输力敏结构敏感到的因压力变化导致的平面谐振器谐振频率变化和辐射效率变化，分析平面谐振器谐振频率变化和辐射效率变化即可得到压力变化信息。所述平面谐振器以特定结构耐高温金属涂覆在耐高温基片上制成，减少了目前公开报道的金属涂覆陶瓷腔力敏结构的加工难度；避免了腔内壁转角、折弯及形状突变处金属涂覆，保证了金属涂层与基片粘接可靠性，进而保证本超高温压力传感器可靠性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

近场耦合无线无源超高温压力传感器，所述传感器由近场耦合力敏结构、耐高温波导和耐高温天线构成，所述近场耦合力敏结构由平面谐振器、介质层或金属与介质复合层构成，所述介质层或金属与介质复合层构成力敏膜，平面谐振器、介质层或金属与介质复合层之间使用的空心耐高温筒体隔开，介质层或金属与介质复合层、空心耐高温筒体、平面谐振器三者密封成一体，所述耐高温天线通过耐高温波导与所述平面谐振器连接。

其中，所述耐高温天线由耐高温陶瓷与耐高温金属构成。

其中，所述耐高温天线为微带天线、振子天线或其衍生天线中的一种。

其中，所述耐高温波导为耐高温金属构成的同轴线或者矩形、圆形、异形空心波导中的一种。

其中，所述耐高温波导为耐高温陶瓷与耐高温金属构成微带传输线、带状线、共面波导或者基片集成波导中的一种。

为解决上述问题，本发明实施例还提供了一种近场耦合无线无源超高温压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将耐高温生瓷制成所需尺寸的生瓷基材；

通过丝网印刷工艺将耐高温导体浆料印刷在生瓷基材上，形成平面谐振器图案、波导和天线图案，从而完成平面谐振器、耐高温波导和耐高温天线的制作；

S2、取耐高温生瓷冲孔、填充、多层叠加，制备耐高温空心筒体；

S3、取耐高温生瓷，不冲孔，一层或者多层叠加，制备作为力敏膜的介质层；或者取耐高温生瓷，不冲孔，一层或者多层叠加后，通过丝网印刷工艺将耐高温导体浆料印刷在其上，且涂满其表面，完成作为力敏膜的金属与介质复合层的制备；

S4、将步骤S1制备所得的平面谐振器、步骤S2所得的耐高温空心筒体和S3所得的金属层或介质层，叠加在一起，层压、热切，然后共烧，得近场耦合力敏结构。

本发明具有以下有益效果：

1)以近场耦合理论作为压力信号、电磁场耦合依据设计力敏结构，极大的减少了传感器体积和压力信号、电磁场耦合灵敏度；

2)基于近场耦合理论的近场耦合力敏结构无需侧壁涂覆金属，降低了加工难度，避免了腔内壁转角、折弯及形状突变处金属涂覆，保证了金属涂层与基片粘接可靠性，进而保证本超高温压力传感器可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中近场耦合无线无源超高温压力传感器整体封装图。

图2为本发明实施例中近场耦合无线无源超高温压力传感器整体的横截面图。

图3为本发明实施例中近场耦合无线无源超高温压力传感器整体的装配图。

图4为本发明实施例中力敏膜图。

图5为本发明实施例中平面谐振器图。

图6为本发明实施例中耐高温筒体图。

图7为本发明实施例中耐高温波导图。

图8为本发明实施例中耐高温天线图。

图中，1-力敏膜；2-平面谐振器；3-耐高温筒体；4-耐高温波导；5-耐高温天线。

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1-8所示，本发明实施例提供了一种近场耦合无线无源超高温压力传感器，所述传感器由近场耦合力敏结构、耐高温波导4和耐高温天线5构成。所述近场耦合力敏结构由介质层或金属层和平面谐振器2构成，所述介质层或金属与介质复合层构成力敏膜1，介质层或金属层和平面谐振器之间使用高度很低空心耐高温筒体3隔开，介质层或金属层、空心耐高温筒体3、平面谐振器2三者密封成一体，构成所述近场耦合力敏结构。所述耐高温天线5由耐高温陶瓷与耐高温金属构成，可以是微带天线、振子天线或其衍生天线。所述耐高温天线5通过耐高温波导4与所述平面谐振器2连接。所述耐高温波导可以是耐高温金属构成的同轴线或者矩形、圆形、异形空心波导；所述耐高温波导4也可以是耐高温陶瓷与耐高温金属构成微带传输线、带状线、共面波导或者基片集成波导。

实施例

一种近场耦合无线无源超高温压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、采用耐高温生瓷，制成所需尺寸的生瓷基材；采用丝网印刷工艺将耐高温导体浆料印刷在生瓷基材上，形成平面谐振器图案、波导和天线图案，用于所述近场耦合无线无源超高温压力传感器中的平面谐振器、耐高温波导和耐高温天线制作；

S2、采用耐高温生瓷，冲孔、填充、多层叠加，构成所需的高度很低的空心筒体，用于所述近场耦合力敏结构中的耐高温空心筒体制作；

S3、取耐高温生瓷，不冲孔，一层或者多层叠加，制备作为力敏膜的介质层；或者取耐高温生瓷，不冲孔，一层或者多层叠加后，通过丝网印刷工艺将耐高温导体浆料印刷在其上，且涂满其表面，完成作为力敏膜的金属与介质复合层的制备；

S4、将步骤S1制备所得的平面谐振器、步骤S2所得的耐高温空心筒体和S3所得的金属层或介质层，叠加在一起，层压、热切，然后共烧，得近场耦合力敏结构。

本具体实施中力敏膜：用于敏感外部压力，把外部压力信号转换为力敏膜的变形；

耐高温波导：本发明以陶瓷介质制备，用于传输微波信号；

平面谐振器：用于构成限定电磁场在其附近谐振的平面微波器件

耐高温天线：构成本发明的微波信号发送结构，实现本发明的无线功能；

耐高温筒体：起到隔离平面谐振器和力敏膜作用，形成平面谐振器上的近场空间；也起密封作用，用于气压类压力测试。

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 (6)

1.一种近场耦合无线无源超高温压力传感器，其特征在于，所述传感器由近场耦合力敏结构、耐高温波导和耐高温天线构成，所述近场耦合力敏结构由平面谐振器、介质层或金属与介质复合层构成，所述介质层或金属与介质复合层构成力敏膜，平面谐振器、介质层或金属与介质复合层之间使用的空心耐高温筒体隔开，介质层或金属与介质复合层、空心耐高温筒体、平面谐振器三者密封成一体，所述耐高温天线通过耐高温波导与所述平面谐振器连接。

2.根据权利要求1所述的近场耦合无线无源超高温压力传感器，其特征在于，所述耐高温天线由耐高温陶瓷与耐高温金属构成。

3.根据权利要求1所述的近场耦合无线无源超高温压力传感器，其特征在于，所述耐高温天线为微带天线、振子天线或其衍生天线中的一种。

4.根据权利要求1所述的近场耦合无线无源超高温压力传感器，其特征在于，所述耐高温波导为耐高温金属构成的同轴线或者矩形、圆形、异形空心波导中的一种。

5.根据权利要求1所述的近场耦合无线无源超高温压力传感器，其特征在于，所述耐高温波导为耐高温陶瓷与耐高温金属构成微带传输线、带状线、共面波导或者基片集成波导中的一种。

6.一种近场耦合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、将耐高温生瓷制成所需尺寸的生瓷基材；

通过丝网印刷工艺将耐高温导体浆料印刷在生瓷基材上，形成平面谐振器图案、波导和天线图案，从而完成平面谐振器、耐高温波导和耐高温天线的制作；

S2、取耐高温生瓷冲孔、填充、多层叠加，制备耐高温空心筒体；

S3、取耐高温生瓷，不冲孔，一层或者多层叠加，制备作为力敏膜的介质层；或者取耐高温生瓷，不冲孔，一层或者多层叠加后，通过丝网印刷工艺将耐高温导体浆料印刷在其上，且涂满其表面，完成作为力敏膜的金属与介质复合层的制备；

S4、将步骤S1制备所得的平面谐振器、步骤S2所得的耐高温空心筒体和S3所得的力敏膜，叠加在一起，层压、热切，然后共烧，得近场耦合力敏结构。