CN105675188A - 一种无线传感器系统以及无线传感器装置 - Google Patents

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王华东
侯燕
叶海琴
刘琳琳
张锦华
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Abstract

本发明公开了一种无线传感器系统以及无线传感器装置，所述传感器包括近场耦合力敏结构、耐高温波导和SiC微带天线，近场耦合力敏结构包括平面谐振器和介质层，所述介质层构成力敏膜，平面谐振器与介质层之间设有空心耐高温筒体，介质层、空心耐高温筒体、平面谐振器三者密封成一体，平面谐振器和介质层由接枝改性ZNT4、氰酸酯、阻燃协效剂、澳系阻燃剂、耐化学品改性剂、耐热剂和导电炭黑制备而成。本发明极大的减少了传感器体积和压力信号、电磁场耦合灵敏度，降低了加工难度，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，同时平面谐振器和介质层采用具有优良性能的材质制备而成，进一步提高了整个传感器的性能。

Description

一种无线传感器系统以及无线传感器装置
技术领域
本发明涉及无线传感器领域，具体涉及一种无线传感器系统以及无线传感器装置。
背景技术
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，同时现有的介质材料
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传感器系统以及无线传感器装置，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。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种无线传感器系统以及无线传感器装置，所述传感器包括近场耦合力敏结构、耐高温波导和SiC微带天线，所述近场耦合力敏结构包括平面谐振器和介质层，所述介质层构成力敏膜，平面谐振器与介质层之间设有空心耐高温筒体，介质层、空心耐高温筒体、平面谐振器三者密封成一体，所述SiC微带天线通过耐高温波导与所述平面谐振器连接；
所述平面谐振器和介质层由以下重量份的原料制备而成：
接枝改性ZNT40.08-0.6份、氰酸酯4份、阻燃协效剂2-6份、溴系阻燃剂0.5-2.5份、耐化学品改性剂0.5-5份、耐热剂0.5-2.5份、导电炭黑0.4-1份；
所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑，所述的耐化学品改性剂为含氟类添加剂，分子量为1000-10000，可以为液体或固体形态存在。
优选地，所述含氟类添加剂为含有全氟烷基的丙烯酸系添加剂。
优选地，所述阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或多种物质的混合物。
优选地，所述的耐热剂为N-苯基马来酰亚胺的共聚物或α-甲基苯乙烯的共聚物。
优选地，所述接枝改性ZNT4通过以下步骤制备：
S1、称取1份ZNT4粒子，将其倒入装有100份四氢呋喃的三口烧瓶中，超声处理10min后，滴加少许KH550，再超声处理10min；
S2、将步骤S1中所得的溶液在80℃及N2气保护下冷凝回流12h后，离心、洗涤、干燥；
S3、称取1份步骤S2所得的陶瓷粒子置于装有50份DMF的三口烧瓶中，超声处理10min，加入6.4份硫，滴加6份氯乙酰氯，再超声处理10min后，氮气保护下，60℃磁力搅拌反应12h后，进行离心、洗涤、干燥；
S4、室温氮气保护的条件下，将10份甲醇钠和100份无水甲醇置于干燥的250份三口瓶内，通过恒压漏斗滴加11.5份的氯化卞，得溶液A；
S5、将步骤S4所得的溶液A置于80℃的油浴中加热回流冷凝12h后，冷却至室温，滤除沉淀出来的NaCl，旋蒸后真空干燥除去溶剂，溶解在100份去离子水中，得混合物；
S6、将步骤S5所得的混合物转移到500份的分液漏斗，用50份乙醚洗涤两次后，用50份乙醚洗涤与适量浓HCl的混合液洗涤，直至混合物上层变为紫色，在乙醚层提取二硫代苯甲酸；
S7、将步骤S6所得的乙醚层用蒸馏水洗涤数次后，加入120份去离子水和240份1mol/L的NaOH溶液，水层经真空冷冻干燥得二硫代苯甲酸钠(DTBA)
S8、称取1份步骤S3中所得的陶瓷粒子置于装有100份THF的三口烧瓶中，超声处理10min，滴加步骤S7中合成的二硫代苯甲酸钠，氮气保护下40℃磁力搅拌反应5h后，离心、洗涤、干燥；
S9、称取0.4份步骤S8所得的陶瓷粒子置于装有100份DMF的三口烧瓶中，加入3m份AlBN和甲基丙烯酸缩水甘油酯单体，氮气保护下80℃磁力搅拌反应48h后，离心、洗涤、干燥，得表面接枝改性ZNT4。
优选地，所述SiC微带天线包括Pt层微带和SiC。
优选地，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。
优选地，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。
本发明具有以下有益效果：
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，同时平面谐振器和介质层采用具有优异介电性能、力学性能和加工性能，且陶瓷粒子分散均匀的复合材料，进一步提高了整个传感器的性能。
附图说明
图1为本发明实施例一种无线传感器系统以及无线传感器装置的结构示意图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种无线传感器系统以及无线传感器装置，所述传感器包括近场耦合力敏结构、耐高温波导4和SiC微带天线5，所述近场耦合力敏结构包括平面谐振器2和介质层，所述介质层构成力敏膜1，平面谐振器与介质层之间设有空心耐高温筒体3，介质层1、空心耐高温筒体3、平面谐振器2三者密封成一体，所述SiC微带天线5通过耐高温波导与所述平面谐振器连接
所述平面谐振器和介质层由以下重量份的原料制备而成：
接枝改性ZNT40.08-0.6份、氰酸酯4份、阻燃协效剂2-6份、溴系阻燃剂0.5-2.5份、耐化学品改性剂0.5-5份、耐热剂0.5-2.5份、导电炭黑0.4-1份；
所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑，所述的耐化学品改性剂为含氟类添加剂，分子量为1000-10000，可以为液体或固体形态存在。
所述含氟类添加剂为含有全氟烷基的丙烯酸系添加剂。
所述阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或多种物质的混合物。
所述的耐热剂为N-苯基马来酰亚胺的共聚物或α-甲基苯乙烯的共聚物。
所述接枝改性ZNT4通过以下步骤制备：
S1、称取1份ZNT4粒子，将其倒入装有100份四氢呋喃的三口烧瓶中，超声处理10min后，滴加少许KH550，再超声处理10min；
S2、将步骤S1中所得的溶液在80℃及N2气保护下冷凝回流12h后，离心、洗涤、干燥；
S3、称取1份步骤S2所得的陶瓷粒子置于装有50份DMF的三口烧瓶中，超声处理10min，加入6.4份硫，滴加6份氯乙酰氯，再超声处理10min后，氮气保护下，60℃磁力搅拌反应12h后，进行离心、洗涤、干燥；
S4、室温氮气保护的条件下，将10份甲醇钠和100份无水甲醇置于干燥的250份三口瓶内，通过恒压漏斗滴加11.5份的氯化卞，得溶液A；
S5、将步骤S4所得的溶液A置于80℃的油浴中加热回流冷凝12h后，冷却至室温，滤除沉淀出来的NaCl，旋蒸后真空干燥除去溶剂，溶解在100份去离子水中，得混合物；
S6、将步骤S5所得的混合物转移到500份的分液漏斗，用50份乙醚洗涤两次后，用50份乙醚洗涤与适量浓HCl的混合液洗涤，直至混合物上层变为紫色，在乙醚层提取二硫代苯甲酸；
S7、将步骤S6所得的乙醚层用蒸馏水洗涤数次后，加入120份去离子水和240份1mol/L的NaOH溶液，水层经真空冷冻干燥得二硫代苯甲酸钠(DTBA)
S8、称取1份步骤S3中所得的陶瓷粒子置于装有100份THF的三口烧瓶中，超声处理10min，滴加步骤S7中合成的二硫代苯甲酸钠，氮气保护下40℃磁力搅拌反应5h后，离心、洗涤、干燥；
S9、称取0.4份步骤S8所得的陶瓷粒子置于装有100份DMF的三口烧瓶中，加入3m份AlBN和甲基丙烯酸缩水甘油酯单体，氮气保护下80℃磁力搅拌反应48h后，离心、洗涤、干燥，得表面接枝改性ZNT4。
所述SiC微带天线包括Pt层微带和SiC。
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。
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。
本具体实施利用无机陶瓷粒子表面存在的活性羟基基团，通过RAFT活性聚合对无机陶瓷粒子进行表面化学接枝改性，然后通过陶瓷粒子接枝链端基与氰酸酯树脂发生化学反应，得到了一种具有优异介电性能、力学性能和加工性能，且陶瓷粒子分散均匀的复合材料，从而大大提高了传感器的性能，同时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。
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 (8)

1.一种无线传感器系统以及无线传感器装置，其特征在于，所述传感器包括近场耦合力敏结构、耐高温波导和SiC微带天线，所述近场耦合力敏结构包括平面谐振器和介质层，所述介质层构成力敏膜，平面谐振器与介质层之间设有空心耐高温筒体，介质层、空心耐高温筒体、平面谐振器三者密封成一体，所述SiC微带天线通过耐高温波导与所述平面谐振器连接；
所述平面谐振器和介质层由以下重量份的原料制备而成：
接枝改性ZNT40.08-0.6份、氰酸酯4份、阻燃协效剂2-6份、溴系阻燃剂0.5-2.5份、耐化学品改性剂0.5-5份、耐热剂0.5-2.5份、导电炭黑0.4-1份；
所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑，所述的耐化学品改性剂为含氟类添加剂，分子量为1000-10000，可以为液体或固体形态存在。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器系统以及无线传感器装置，其特征在于，所述含氟类添加剂为含有全氟烷基的丙烯酸系添加剂。
3.根据权利要求1所述的一种无线传感器系统以及无线传感器装置，其特征在于，所述阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或多种物质的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感器系统以及无线传感器装置，其特征在于，所述的耐热剂为N-苯基马来酰亚胺的共聚物或α-甲基苯乙烯的共聚物。
5.根据权利要求1所述的一种无线传感器系统以及无线传感器装置，其特征在于，所述接枝改性ZNT4通过以下步骤制备：
S1、称取1份ZNT4粒子，将其倒入装有100份四氢呋喃的三口烧瓶中，超声处理10min后，滴加少许KH550，再超声处理10min；
S2、将步骤S1中所得的溶液在80℃及N2气保护下冷凝回流12h后，离心、洗涤、干燥；
S3、称取1份步骤S2所得的陶瓷粒子置于装有50份DMF的三口烧瓶中，超声处理10min，加入6.4份硫，滴加6份氯乙酰氯，再超声处理10min后，氮气保护下，60℃磁力搅拌反应12h后，进行离心、洗涤、干燥；
S4、室温氮气保护的条件下，将10份甲醇钠和100份无水甲醇置于干燥的250份三口瓶内，通过恒压漏斗滴加11.5份的氯化卞，得溶液A；
S5、将步骤S4所得的溶液A置于80℃的油浴中加热回流冷凝12h后，冷却至室温，滤除沉淀出来的NaCl，旋蒸后真空干燥除去溶剂，溶解在100份去离子水中，得混合物；
S6、将步骤S5所得的混合物转移到500份的分液漏斗，用50份乙醚洗涤两次后，用50份乙醚洗涤与适量浓HCl的混合液洗涤，直至混合物上层变为紫色，在乙醚层提取二硫代苯甲酸；
S7、将步骤S6所得的乙醚层用蒸馏水洗涤数次后，加入120份去离子水和240份1mol/L的NaOH溶液，水层经真空冷冻干燥得二硫代苯甲酸钠(DTBA)
S8、称取1份步骤S3中所得的陶瓷粒子置于装有100份THF的三口烧瓶中，超声处理10min，滴加步骤S7中合成的二硫代苯甲酸钠，氮气保护下40℃磁力搅拌反应5h后，离心、洗涤、干燥；
S9、称取0.4份步骤S8所得的陶瓷粒子置于装有100份DMF的三口烧瓶中，加入3m份AIBN和甲基丙烯酸缩水甘油酯单体，氮气保护下80℃磁力搅拌反应48h后，离心、洗涤、干燥，得表面接枝改性ZNT4。
6.根据权利要求1所述的一种无线传感器系统以及无线传感器装置，其特征在于，所述SiC微带天线包括Pt层微带和SiC。
7.根据权利要求1所述的一种无线传感器系统以及无线传感器装置，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。
8.根据权利要求1所述的一种无线传感器系统以及无线传感器装置，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。
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