CN108267235A - 加载贴片天线的SiCN无线无源温度传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

加载贴片天线的SiCN无线无源温度传感器及制备方法，涉及一种温度传感器。传感器设有陶瓷温度敏感元件，在陶瓷温度敏感元件表面设有金属层并形成谐振腔，在谐振腔上表面金属层设有缝隙，在谐振腔上方设有陶瓷基贴片天线。制备圆柱形陶瓷温度敏感元件；制备圆柱形谐振腔；制备陶瓷基板贴片天线；制备无线无源温度传感器。无线无源温度传感器采用SiCN作为温度敏感元件，在温度敏感元件表面镀金属层形成谐振腔，在谐振腔上表面金属层开缝隙，在谐振腔上方加载陶瓷基贴片天线。由聚合物先驱体热解法制备的SiCN陶瓷温度敏感元件可耐1400℃以上，在谐振腔上方加载的陶瓷基耐高温贴片天线，其陶瓷基底和金属贴片能耐1000℃以上。

Description

加载贴片天线的SiCN无线无源温度传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种温度传感器，尤其是涉及一种加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器及其制备方法。
背景技术
航空发动机内部环境恶劣，工作温度极高(>1000℃)，现有的温度传感器多为光纤式或热电偶式等有线有源的工作方式，在航空发动机内部如此恶劣的环境下，特别是在航空发动机高压压气机段及燃烧室等部位，传统的有限有源温度传感器无法正常工作，这些部位温度数据严重缺乏，严重限制了航空发动机技术的发展。同时，航空发动机为旋转机械，有线有源传感器在安装方式上通常也难以满足测试要求。目前提出的无线无源传感器，存在工作温度低，测试距离近(10～20mm)等问题。因此，急需开发一种可应用于恶劣环境的耐高温无线无源温度传感器，这种温度传感器工作温度高、测试距离远等特点，尤其可应用于航空发动机内部温度的测量。
聚合物先驱体热解法制备陶瓷是利用聚合物先驱体良好的流动性、成型性、可加工性以及结构可设计性等优点，将聚合物先驱体进行高温热解制备先进陶瓷材料是一种新型成型方法。聚合物先驱体热解法制备的陶瓷材料耐高温、抗氧化、耐腐蚀，同时制作过程简便、成本低、烧结温度可降低至1000℃，是国际上研究的热点材料。聚合物先驱体制备的SiCN陶瓷在微波频段下介电常数和温度呈现较好的线性，因此可用来制作新型的超高温无线无源温度传感器。
发明内容
本发明的目的在于针对现有温度传感器存在的温度敏感元件工作温度低，有线有源的测量方式难以满足高温腐蚀等恶劣环境的要求，现有无线无源传感器测试距离较近等技术问题，提供了在高温腐蚀等恶劣环境下使用的一种加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器及其制备方法。
所述一种加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器，设有SiCN陶瓷温度敏感元件，在SiCN陶瓷温度敏感元件表面设有金属层并形成谐振腔，在谐振腔上表面金属层设有缝隙，在谐振腔上方设有陶瓷基贴片天线。
所述SiCN陶瓷温度敏感元件可采用圆柱形非晶态SiCN陶瓷温度敏感元件，所述金属层可采用耐高温金属层，所述陶瓷基贴片天线可采用耐高温陶瓷基贴片天线。
所述圆柱形非晶态SiCN陶瓷温度敏感元件的直径可为6～18mm，厚度可为0.5～5mm；圆柱形非晶态SiCN陶瓷温度敏感元件可通过聚合物先驱体热解法制备，所述SiCN陶瓷温度敏感元件可耐高温1400℃以上。
所述耐高温金属层是指熔点在1000℃以上的金属层，所述耐高温金属层的厚度可为5～50μm。
所述耐高温陶瓷基贴片天线的陶瓷基底的直径与谐振腔的直径相等，所述耐高温陶瓷基贴片天线的陶瓷基底和金属贴片耐高温1000℃以上。
所述加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备方法包括以下步骤：
1)制备圆柱形陶瓷温度敏感元件：
(1)制备SiCN陶瓷素胚，具体方法如下：
方法1，将先驱体聚硅氮烷与热引发剂过氧化二异丙苯(DCP)混合后，进行热交联，再由液态的聚硅氮烷变为固态的聚硅氮烷，研磨成粉末后，放入模具中热压或冷等静压，得圆柱形SiCN陶瓷素胚；或
方法2，将先驱体聚硅氮烷与光引发剂混合后，放入模具中进行紫外交联，得圆柱形淡黄色SiCN陶瓷素坯；或
方法3，将先驱体聚硅氮烷与光引发剂混合后，进行紫外交联，研磨成粉末后，放入模具中热压或冷等静压，得圆柱形SiCN陶瓷素坯；或
方法4，将先驱体聚硅氮烷进行热交联，再由液态的聚硅氮烷变为淡黄色固态的聚硅氮烷，球磨成粉末后，放入模具中热压或冷等静压，得SiCN陶瓷素坯；或
(2)在惰性气体环境中，将陶瓷素胚热解，再退火处理后得到陶瓷温度敏感元件。
2)制备圆柱形谐振腔：
将温度敏感元件陶瓷体置于模具中，在温度敏感元件陶瓷体表面镀金属层，在陶瓷体上表面预留一个无金属层的缝隙，形成上表面有缝隙的圆柱形谐振腔。
3)制备陶瓷基板贴片天线：
将表面覆有耐高温金属的耐高温陶瓷基板，加工成与圆柱形谐振腔直径相等的圆柱，在陶瓷基板上表面蚀刻出金属贴片，形成贴片天线。
4)制备加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器：
将圆柱形谐振腔的上表面(有缝隙的面)与贴片天线下表面固定在一起，形成加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器。
在步骤1)第(1)部分方法1中，所述聚硅氮烷与热引发剂的质量比可为1︰(0～0.1)；所述热交联的温度可为120～400℃，热交联的时间可为1～4h；所述粉末的颗粒直径可为0.5～2μm。
在步骤1)第(1)部分方法2中，所述光引发剂可采用I819光引发剂；所述聚硅氮烷与光引发剂的质量比可为1︰(0.005～0.05)；所述模具可采用PDMS模具，模具的直径可为4～25mm，模具的高度可为1～5mm；所述紫外交联的条件可为：在紫外灯下照射进行紫外交联，所述紫外灯的功率可为250W，中心波长可为326nm，紫外交联的时间可为0.25～2h。
在步骤1)第(1)部分方法3中，所述光引发剂采用I819光引发剂；所述聚硅氮烷与光引发剂的质量比可为1︰(0.005～0.05)；所述紫外交联的条件可为：在紫外灯下照射进行紫外交联，所述紫外灯的功率可为250W，中心波长可为326nm，紫外交联的时间可为0.25～2h；所述粉末的颗粒直径可为0.5～2μm。
在步骤1)第(1)部分方法4中，所述热交联温度可为120～400℃，热交联的时间可为1～4h；所述粉末的颗粒直径可为0.5～2μm。
在步骤1)第(2)部分中，所述惰性气体可采用氮气或氩气；所述热解温度可为800～1000℃，热解的时间可为1～4h。
在步骤1)第(2)部分中，所述退火处理的温度为1000～1400℃，退火处理的时间为1～4h；所制得的非晶态SiCN陶瓷温敏元件是一种致密的温敏元件，其密度可为2.6～3.0g/m3。
在步骤2)中，所述在温度敏感元件陶瓷表面镀金属层，是通过电镀、光刻，蚀刻或蒸发的方法在温度敏感元件陶瓷表面镀金属层；所述金属层采用铂、铍、钛等中的一种；所述金属层的厚度可为5～100μm。
在步骤3)中，所述表面镀有耐高温金属的耐高温陶瓷基板的耐高温金属可采用铂、铍、钛等中的一种；耐高温陶瓷基板可采用Al2O3或BN；耐高温陶瓷基板厚度可为0.3mm～3mm；耐高温陶瓷基板直径与圆柱谐振腔相等。
在步骤3)中，所述金属贴片可采用矩形金属贴片或圆形金属贴片。
在步骤4)中，所述圆柱谐振腔的上表面与贴片天线下表面固定在一起，可采用焊接、一体封装等工艺。
在步骤4)中，所述贴片天线指的是能够赋形在圆柱形谐振腔表面的微带天线。
在步骤4)中，所述贴片天线的中心工作频率与圆柱形谐振腔的谐振频率相同；或圆柱形谐振腔的谐振频率处于贴片天线的工作频带内。
本发明提供一种在高温腐蚀等恶劣环境下使用的超高温无线无源温度传感器及其制备方法。此无线无源温度传感器可采用SiCN作为温度敏感元件，在温度敏感元件表面镀耐高温金属层形成谐振腔，在谐振腔上表面金属层开缝隙，在谐振腔上方加载耐高温陶瓷基贴片天线。由聚合物先驱体热解法制备的SiCN陶瓷温度敏感元件，可耐高温1400℃以上，在微波频段下，介电常数和温度具有较好的线性关系，在谐振腔尺寸不变的情况下，可转化为谐振频率与温度的关系，非常适合温度的实际测量。在谐振腔上方加载的陶瓷基耐高温贴片天线，其陶瓷基底和金属贴片能够耐高温1000℃以上，可应用于高温环境下。所加载的陶瓷基耐高温贴片天线能够将经缝隙耦合的谐振腔部分能量有效辐射出去，可有效提高测试距离，使后端波导探头及数据采集处理系统远离高温区。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是图2的B-B剖视图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
1、将4g聚硅氮烷和0.24g热引发剂过氧化二异丙苯混合液在60℃磁力搅拌机上混合2h，得到混合均匀的白色粘稠状液体。
2、将混合均匀的白色粘稠状液体倒入锡箔纸盒中，放入70℃烘箱内保温2h，然后将温度升至140℃保温4h，混合液进行热交联，得到固态聚硅氮烷。
3、将得到的固态聚硅氮烷用球磨机研磨成粉末，颗粒直径约1μm。振动球磨机频率设为300Hz，球磨时间为1h。
4、将球磨好的粉末和原液以6︰1比例混合，混合后的颗粒直径要求小于5μm。将细粉倒入直径13mm的圆片模具中，用冷等静压机缓慢加压至200MPa，保持压力3min，得到陶瓷素胚片。
5、将压好的陶瓷素胚片放入氧化铝坩埚中，在高温管式炉高纯氮气保护下进行烧结，升温速率0.5℃/min，升温至1000℃后保温4h，制得无裂纹致密厚度为1mm、直径为9.1mm的SiCN陶瓷圆片。
6、在圆柱形SiCN陶瓷圆片的表面用聚酰亚胺胶带遮挡以留一缝隙，缝隙的位置在谐振腔的上表面，距离中心1.5mm处，尺寸为长5mm宽0.8mm的长方体，厚度与金属层厚度相同。
7、通过电镀或蒸发等工艺在SiCN陶瓷圆片表面渡一层15μm厚金属铂层，形成圆柱谐振腔。
8、去除聚酰亚胺胶带，形成上表面开有缝隙的圆柱谐振腔。
9、在厚度为0.5mm表面覆有金属铂的Al2O3基板表面进行蚀刻，蚀刻出矩形金属贴片，贴片尺寸为长6mm宽3.7mm，形成贴片天线。
10、将贴片天线通过焊接等方式覆盖在圆柱谐振腔上表面，形成加载贴片天线的陶瓷基无线无源温度传感器。金属贴片位于传感器上表面，位置正对圆柱谐振腔上表面所开的缝隙。
所得的加载贴片天线的陶瓷基无线无源温度传感器的结构参见图1，所述加载贴片天线的陶瓷基无线无源温度传感器设有圆柱形，在圆柱形SiCN非晶态陶瓷温敏元件1，在圆柱形SiCN在谐振腔表面设有耐高温金属层2并形成谐振腔，在谐振腔上表面设有缝隙3，在谐振腔上方设有耐高温陶瓷基板4，在耐高温陶瓷基板上表面设有耐高温金属贴片5并形成贴片天线。
实施例2
1、将4g聚硅氮烷体倒入锡箔纸盒中，放入管式炉中，然后将温度升至160℃保温4h，进行热交联，自然冷却到室温得到固态聚硅氮烷。
2、将得到的固态聚硅氮烷用球磨机研磨成粉末，颗粒直径约1μm。振动球磨机频率设为300Hz，球磨时间为1h。
3、将0.18g球磨好的粉末倒入直径13mm的圆片模具中，用冷等静压机缓慢加压至200MPa，保持压力3min，得到陶瓷素胚片。
4、将压好的陶瓷素胚片放入氧化铝坩埚中，在高温管式炉高纯氮气保护下进行烧结，升温速率2℃/min，先从室温升温至300℃保温2h，再从300℃升温至800℃保温4h，再从800℃升温至1000℃保温4h，自然冷却至室温，制得无裂纹致密厚度为1mm、直径为9.1mm的SiCN陶瓷圆片。
5、在圆柱形SiCN陶瓷圆片的表面用聚酰亚胺胶带遮挡以留一缝隙，缝隙的位置在谐振腔的上表面，距离中心1.5mm处，尺寸为长5mm宽0.8mm的长方体，厚度与金属层厚度相同。
6、通过电镀或蒸发等工艺在SiCN陶瓷圆片表面渡一层15μm厚金属铂层，形成圆柱谐振腔。
7、去除聚酰亚胺胶带，形成上表面开有缝隙的圆柱谐振腔。
8、在厚度为0.5mm表面覆有金属铂的Al2O3基板表面进行蚀刻，蚀刻出金属贴片，贴片尺寸为长6mm宽3.7mm，形成贴片天线。
9、将贴片天线通过焊接等方式覆盖在圆柱谐振腔上表面，形成加载贴片天线的陶瓷基无线无源温度传感器。金属贴片位于传感器上表面，位置正对圆柱谐振腔上表面所开的缝隙。
所得的加载贴片天线的陶瓷基无线无源温度传感器的结构参见图1～4，所述加载贴片天线的陶瓷基无线无源温度传感器设有圆柱形，在圆柱形SiCN非晶态陶瓷温敏元件1，在圆柱形SiCN在谐振腔表面设有耐高温金属层2并形成谐振腔，在谐振腔上表面设有缝隙3，在谐振腔上方设有耐高温陶瓷基板4，在耐高温陶瓷基板上表面设有耐高温金属贴片5并形成贴片天线。

Claims (10)

1.加载贴片天线的SiCN无线无源温度传感器，其特征在于设有SiCN陶瓷温度敏感元件，在SiCN陶瓷温度敏感元件表面设有金属层并形成谐振腔，在谐振腔上表面金属层设有缝隙，在谐振腔上方设有陶瓷基贴片天线。
2.如权利要求1所述加载贴片天线的SiCN无线无源温度传感器，其特征在于所述SiCN陶瓷温度敏感元件采用圆柱形非晶态陶瓷温度敏感元件，所述金属层可采用耐高温金属层，所述陶瓷基贴片天线可采用耐高温陶瓷基贴片天线。
3.如权利要求1所述加载贴片天线的SiCN无线无源温度传感器，其特征在于所述圆柱形非晶态SiCN陶瓷温度敏感元件的直径为6～18mm，厚度为0.5～5mm；圆柱形非晶态SiCN陶瓷温度敏感元件可通过聚合物先驱体热解法制备，所述SiCN陶瓷温度敏感元件可耐高温1400℃以上。
4.如权利要求1所述加载贴片天线的SiCN无线无源温度传感器，其特征在于所述耐高温金属层是指熔点在1000℃以上的金属层，所述耐高温金属层的厚度为5～50μm；所述耐高温陶瓷基贴片天线的陶瓷基底的直径与谐振腔的直径相等，所述耐高温陶瓷基贴片天线的陶瓷基底和金属贴片耐高温1000℃以上。
5.如权利要求1～4所述加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备圆柱形陶瓷温度敏感元件：
(1)制备SiCN陶瓷素胚，具体方法如下：
方法1，将先驱体聚硅氮烷与热引发剂过氧化二异丙苯混合后，进行热交联，再由液态的聚硅氮烷变为固态的聚硅氮烷，研磨成粉末后，放入模具中热压或冷等静压，得圆柱形SiCN陶瓷素胚；或
方法2，将先驱体聚硅氮烷与光引发剂混合后，放入模具中进行紫外交联，得圆柱形淡黄色SiCN陶瓷素坯；或
方法3，将先驱体聚硅氮烷与光引发剂混合后，进行紫外交联，研磨成粉末后，放入模具中热压或冷等静压，得圆柱形SiCN陶瓷素坯；或
方法4，将先驱体聚硅氮烷进行热交联，再由液态的聚硅氮烷变为淡黄色固态的聚硅氮烷，球磨成粉末后，放入模具中热压或冷等静压，得SiCN陶瓷素坯；或
(2)在惰性气体环境中，将陶瓷素胚热解，再退火处理后得到陶瓷温度敏感元件；
2)制备圆柱形谐振腔：
将温度敏感元件陶瓷体置于模具中，在温度敏感元件陶瓷体表面镀金属层，在陶瓷体上表面预留一个无金属层的缝隙，形成上表面有缝隙的圆柱形谐振腔；
3)制备陶瓷基板贴片天线：
将表面覆有耐高温金属的耐高温陶瓷基板，加工成与圆柱形谐振腔直径相等的圆柱，在陶瓷基板上表面蚀刻出金属贴片，形成贴片天线；
4)制备加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器：
将圆柱形谐振腔的上表面与贴片天线下表面固定在一起，形成加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器。
6.如权利要求5所述加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备方法，其特征在于在步骤1)第(1)部分方法1中，所述聚硅氮烷与热引发剂的质量比为1︰(0～0.1)；所述热交联的温度可为120～400℃，热交联的时间可为1～4h；所述粉末的颗粒直径可为0.5～2μm；
在步骤1)第(1)部分方法2中，所述光引发剂可采用I819光引发剂；所述聚硅氮烷与光引发剂的质量比可为1︰(0.005～0.05)；所述模具可采用PDMS模具，模具的直径可为4～25mm，模具的高度可为1～5mm；所述紫外交联的条件可为：在紫外灯下照射进行紫外交联，所述紫外灯的功率可为250W，中心波长可为326nm，紫外交联的时间可为0.25～2h；
在步骤1)第(1)部分方法3中，所述光引发剂采用I819光引发剂；所述聚硅氮烷与光引发剂的质量比可为1︰(0.005～0.05)；所述紫外交联的条件可为：在紫外灯下照射进行紫外交联，所述紫外灯的功率可为250W，中心波长可为326nm，紫外交联的时间可为0.25～2h；所述粉末的颗粒直径可为0.5～2μm；
在步骤1)第(1)部分方法4中，所述热交联温度可为120～400℃，热交联的时间可为1～4h；所述粉末的颗粒直径可为0.5～2μm。
7.如权利要求5所述加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备方法，其特征在于在步骤1)第(2)部分中，所述惰性气体采用氮气或氩气；所述热解温度可为800～1000℃，热解的时间可为1～4h；
在步骤1)第(2)部分中，所述退火处理的温度为1000～1400℃，退火处理的时间为1～4h；所制得的非晶态SiCN陶瓷温敏元件是一种致密的温敏元件，其密度可为2.6～3.0g/m3。
8.如权利要求5所述加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述在温度敏感元件陶瓷表面镀金属层，是通过电镀、光刻，蚀刻或蒸发的方法在温度敏感元件陶瓷表面镀金属层；所述金属层采用铂、铍、钛中的一种；所述金属层的厚度可为5～100μm。
9.如权利要求5所述加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述表面镀有耐高温金属的耐高温陶瓷基板的耐高温金属采用铂、铍、钛中的一种；耐高温陶瓷基板可采用Al2O3或BN；耐高温陶瓷基板厚度可为0.3mm～3mm；耐高温陶瓷基板直径与圆柱谐振腔相等；所述金属贴片可采用矩形金属贴片或圆形金属贴片。
10.如权利要求5所述加载贴片天线的SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述圆柱谐振腔的上表面与贴片天线下表面固定在一起，采用焊接、一体封装工艺；所述贴片天线指的是赋形在圆柱形谐振腔表面的微带天线；所述贴片天线的中心工作频率与圆柱形谐振腔的谐振频率相同；或圆柱形谐振腔的谐振频率处于贴片天线的工作频带内。
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