CN112729623A - 一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法 - Google Patents

一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器，包括耐高温陶瓷压敏元件、耐高温陶瓷样机封装管壳、耐高温陶瓷读取天线，耐高温陶瓷压敏元件由耐高温压敏电容与矩形螺旋电感线圈组成，耐高温陶瓷压敏元件安装在耐高温陶瓷样机封装管壳内的一侧，耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷样机封装管壳之间安装有耐高温防热防震棉，耐高温陶瓷读取天线安装在耐高温陶瓷样机封装管壳内的另一侧；耐高温陶瓷样机封装管壳敏感端设有垂直于耐高温陶瓷压敏元件的气流孔；耐高温陶瓷读取天线通过与压敏LC回路中的电感耦合来实现压力参数的传输。本发明解决了压力参数测试过程中传感器样机存在的工作温度低、气密性差的问题，实现了在1000℃以上的超高温环境中压力参数的原位测量。

Description

一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法
技术领域
本发明涉及超高温陶瓷压力传感器领域，具体涉及一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法。
背景技术
随着航空先进发动机及火力发电燃气轮机等大型装备的不断发展，对超高温、强冲击等恶劣环境下压力参数的原位动态测试需求日益提高，已成为制约发动机及燃气轮机性能提升的关键技术“瓶颈”。传统的高温压力传感器主要是基于硅、碳化硅等材料，且采用引线连接的有源信号传输方式，材料性能及信号传输方式限制了传感器的工作温度范围，且不能实现强冲击环境中压力参数的精准动态测量(如：传统的高温压力传感器只能实现发动机尾喷的切向压力测试)。因此，迫切需要发明一种全新的耐高温压力传感器去实现超高温、强冲击等恶劣环境下的压力参数的精确动态测量。
发明内容
本发明提供了一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法，解决了传统压力传感器存在的问题，并实现了超高温环境下压力参数的稳定测量。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器，包括耐高温陶瓷压敏元件、耐高温陶瓷样机封装管壳、耐高温陶瓷读取天线，耐高温陶瓷压敏元件由耐高温压敏电容与矩形螺旋电感线圈组成，耐高温陶瓷压敏元件安装在耐高温陶瓷样机封装管壳内的一侧，耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷样机封装管壳之间安装有耐高温防热防震棉，耐高温陶瓷读取天线安装在耐高温陶瓷样机封装管壳内的另一侧；耐高温陶瓷样机封装管壳的敏感端设有垂直于耐高温陶瓷压敏元件的气流孔；耐高温陶瓷压敏元件和耐高温陶瓷读取天线与耐高温陶瓷样机封装管壳的接口处分别采用陶瓷焊接工艺封接，耐高温陶瓷读取天线通过与压敏LC回路中的电感耦合来实现压力参数的传输。
进一步地，耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷读取天线的材料均为耐高温氧化铝陶瓷片，浆料选用金属铂浆料；
进一步地，耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷读取天线的制备工艺采用基于氧化铝陶瓷的后烧工艺方法。
进一步地，所述耐高温陶瓷读取天线用于实现传感器压力参数对应特征频率信号的非接触无线传输。
进一步地，待测信号通过非接触方式无线传输，解决了传统高温压力传感器因引线问题而存在的漏气及电引线失效问题。
本发明还提供了上述一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装
工艺方法，包括如下步骤：
S1、耐高温陶瓷压敏元件的制备
S11、将氧化铝生瓷带切割成所需的形状与尺寸，其中，第二层生瓷片、第三层生瓷片、第四层生瓷片的形状为T形，第一层生瓷片、第五层生瓷片的形状为矩形；
S12、利用打孔机在3层T形生瓷片右侧的相同位置打出过孔并在第三层生瓷片上的左侧打出预定尺寸大小的电容孔腔；
S13、将金属铂浆料填充在3层T形生瓷片的过孔里以实现螺旋电感与电容下极板的连接，填充完成后，将生瓷片置于150-200℃的烘干机上，进行15-20min的烘干处理；
S14、制备两个丝网印刷网版，其中一个网版绘制电容上极板与电感图形，另一个网版绘制电容下极板图形，将两个网印刷网版分别置于丝网印刷台上固定，利用酒精将第二生瓷片和第四生瓷片擦拭干净后，将第二层生瓷片和第四层生瓷片分别与第一个丝网印刷网版和第二个丝网印刷网版上的电路图形对准，利用刮刀使金属铂浆料通过网版均匀地印刷在生瓷片上，使压敏LC回路的矩形螺旋电感线圈、电容上极板和电容下极板分别位于第二层生瓷片上表面侧、第二层生瓷片上表面左侧及第四层生瓷片上表面左侧，将丝网印刷后的两层生瓷片置于烘干炉15-20min进行烘干处理；
S15、将第五层生瓷片、第四层生瓷片、第三层生瓷片、第二层生瓷片、第一层生瓷片从下往上依次放入叠片机中进行叠片处理，得生瓷片叠层，其中，在第三层生瓷片放入叠片机后，需在其压敏电容空腔内填充与空腔大小相同的碳膜；
S16、对生瓷片叠层进行真空处理后，进行层压处理；
S17、将层压完成后的生瓷片叠层置于设定好升温曲线的马弗炉中，进行升温烧结，烧结峰值温度设定为1500℃，同时保温30min，升温完成后，关闭马弗炉电源与加热按钮，使生瓷片自然降温，烧结过程可以使碳膜排出；
S2、耐高温陶瓷样机封装管壳的制备
S21、采用陶瓷注浆成型法制备出所需初始的实心氧化铝陶瓷坯件，经激光打孔机在陶瓷坯件的上方、左侧及右侧分别打出气流孔、压敏元件安装槽、耐高温天线安装槽；
S22、对打孔后的陶瓷坯件的表面进行研磨与抛光以去除多余的毛坯；
S23、利用焊接工艺将螺纹焊接在陶瓷坯件的表面，其中，螺纹是由高温合金制备而成，完成最终耐高温陶瓷样机封装管壳的制备；
S3、耐高温陶瓷读取天线的制备
S31、选取3片切好的氧化铝陶瓷生瓷片，其中，两片为矩形，一片为T形；利用酒精擦拭氧化铝陶瓷生瓷片后，在T形生瓷片上表面的右侧采用丝网印刷工艺印刷矩形螺旋电感结构；
S32、在叠片机中依序放入生瓷片进行叠片，其中，T形生瓷片位于中间，两矩形生瓷片与T形生瓷片的左侧对齐；
S33、对叠片完成的生瓷片进行真空处理后，进行层压处理；
S34、层压结束后，利用马弗炉对生瓷片进行升温烧结，升温结束后，关闭马弗炉电源与加热按钮，进行自然降温，烧结结束后，耐高温陶瓷读取天线制备而成；其中，烧结的峰值温度设定为1500℃，保温30min；
S4、氧化铝陶瓷超高温压力传感器的封装工艺
S41、将制备所得的耐高温陶瓷压敏元件安装在耐高温陶瓷样机封装管壳一侧，然后在耐高温陶瓷压敏元件上表面与下表面分别放置耐高温防热防震棉；
S42、在耐高温陶瓷样机封装管壳的另一侧安装耐高温陶瓷测试天线；
S43、利用陶瓷焊接工艺分别将读取天线、耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷样机封装管壳连接处进行封接，实现氧化铝陶瓷超高温压力传感器样机的密封封装。
本发明针对传统高温压力传感器在超高温环境中的应用局限，本发明的传感器压敏元件、读取天线及样机封装管壳均采用耐高温Al203陶瓷材料，氧化铝陶瓷材料的应用使传感器的工作温度可达1000℃以上；传感器与读取天线通过非接触方式传输信号，避免了传统高温压力传感器的引线使用，解决了传统高温压力传感器密封性差的问题；本发明的氧化铝陶瓷超高温压力传感器可以精确获取发动机及燃气轮机尾喷处的动态气流压力参数，实现对发动机及燃气轮机尾喷气流压力的精准触测量。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器的一个具体应用例的结构图。
图2为本发明实施例中的耐高温陶瓷压敏元件的结构示意图。
图3为本发明实施例中的耐高温陶瓷读取天线的结构示意图。
图4为本发明实施例一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器的整体封装示意图。
图5为图4的侧视图。
图6为图4的剖面图。
图7为图5的剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-图7所示，本发明实施例的一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器，包括耐高温陶瓷压敏元件1、耐高温陶瓷样机封装管壳6、耐高温陶瓷读取天线5，耐高温陶瓷压敏元件1由耐高温压敏电容与矩形螺旋电感线圈组成，耐高温陶瓷压敏元件1安装在耐高温陶瓷样机封装管壳6内的一侧，耐高温陶瓷压敏元件1与耐高温陶瓷样机封装管壳6之间安装有耐高温防热防震棉2，耐高温陶瓷读取天线5安装在耐高温陶瓷样机封装管壳内的另一侧；耐高温陶瓷样机封装管壳的敏感端设有垂直于耐高温陶瓷压敏元件的气流孔3；耐高温陶瓷压敏元件和耐高温陶瓷读取天线与耐高温陶瓷样机封装管壳的接口处分别采用陶瓷焊接工艺封接，耐高温陶瓷读取天线用于实现传感器压力参数对应特征频率信号的非接触无线传输，通过与压敏LC回路中电感耦合来实现压力参数的传输。所述耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷读取天线的材料均为耐高温氧化铝陶瓷片，浆料选用金属铂浆料。本具体实施使用时，将封装完成的压力传感器通过螺纹4安装在发动机尾喷处，发动机工作时，发动机尾喷处的气压通过气流孔3作用于压敏元件的电容上，电容变化，导致传感器的谐振频率f发生变化，该改变通过读取天线与压敏元件电感间的互感耦合可在读取设备上体现出来。
本发明还提供了上述一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法，包括如下步骤：
S1、耐高温陶瓷压敏元件的制备
S11、利用切割机将氧化铝生瓷带切割成所需的形状与尺寸，其中，第二层生瓷片、第三层生瓷片、第四层生瓷片的形状为T形，第一层生瓷片、第五层生瓷片的形状为矩形；
S12、利用打孔机在3层T形生瓷片右侧的相同位置打出过孔并在第三层生瓷片上的左侧打出预定尺寸大小的电容孔腔；
S13、将金属铂浆料填充在3层T形生瓷片的过孔里以实现螺旋电感与电容下极板的连接，填充完成后，将生瓷片置于150-200℃的烘干机上，进行15-20min的烘干处理；
S14、制备两个丝网印刷网版，其中一个网版绘制电容上极板与电感图形，另一个网版绘制电容下极板图形，将两个网印刷网版分别置于丝网印刷台上固定，利用酒精将第二生瓷片和第四生瓷片擦拭干净后，将第二层生瓷片和第四层生瓷片分别与第一个丝网印刷网版和第二个丝网印刷网版上的电路图形对准，利用刮刀使金属铂浆料通过网版均匀地印刷在生瓷片上，使压敏LC回路的矩形螺旋电感线圈、电容上极板和电容下极板分别位于第二层生瓷片上表面侧、第二层生瓷片上表面左侧及第四层生瓷片上表面左侧，将丝网印刷后的两层生瓷片置于烘干炉15-20min进行烘干处理；
S15、将第五层生瓷片、第四层生瓷片、第三层生瓷片、第二层生瓷片、第一层生瓷片从下往上依次放入叠片机中进行叠片处理，得生瓷片叠层，其中，在第三层生瓷片放入叠片机后，需在其压敏电容空腔内填充与空腔大小相同的碳膜；
S16、对生瓷片叠层进行真空处理后，进行层压处理；
S17、将层压完成后的生瓷片叠层，置于设定好升温曲线的马弗炉中，进行升温烧结，烧结峰值温度设定为1500℃，同时保温30min，升温完成后，关闭马弗炉电源与加热按钮，使生瓷片自然降温，烧结过程可以使碳膜排出；
S2、耐高温陶瓷样机封装管壳的制备
S21、采用由制备浆料-制作模具-注浆-干燥-脱模-烧结-修坯等步骤组成的陶瓷注浆成型法制备出所需初始的实心氧化铝陶瓷坯件，经激光打孔机在陶瓷坯件的上方、左侧及右侧分别打出气流孔、压敏元件安装槽、耐高温天线安装槽；
S22、对打孔后的陶瓷坯件的表面进行研磨与抛光以去除多余的毛坯；
S23、利用焊接工艺将螺纹焊接在陶瓷坯件的表面，其中，螺纹是由高温合金制备而成，完成最终耐高温陶瓷样机封装管壳的制备；
S3、耐高温陶瓷读取天线的制备
S31、选取3片切好的氧化铝陶瓷生瓷片，其中，两片为矩形，一片为T形；利用酒精擦拭氧化铝陶瓷生瓷片后，在T形生瓷片上表面的右侧采用丝网印刷工艺印刷矩形螺旋电感结构；
S32、在叠片机中依序放入生瓷片进行叠片，其中，T形生瓷片位于中间，两矩形生瓷片与T形生瓷片的左侧对齐；
S33、对叠片完成的生瓷片进行真空处理后，进行层压处理；
S34、层压结束后，利用马弗炉对生瓷片进行升温烧结，升温结束后，关闭马弗炉电源与加热按钮，进行自然降温，烧结结束后，耐高温陶瓷读取天线制备而成；其中，烧结的峰值温度设定为1500℃，保温30min；
S4、氧化铝陶瓷超高温压力传感器的封装工艺
S41、将制备所得的耐高温陶瓷压敏元件安装在耐高温陶瓷样机封装管壳一侧，然后在耐高温陶瓷压敏元件上表面与下表面分别放置耐高温防热防震棉；
S42、在耐高温陶瓷样机封装管壳的另一侧安装耐高温陶瓷测试天线；
S43、利用陶瓷焊接工艺分别将读取天线、耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷样机封装管壳连接处进行封接，实现氧化铝陶瓷超高温压力传感器样机的密封封装。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、耐高温陶瓷压敏元件的制备
S11、将氧化铝生瓷带切割成所需的形状与尺寸，其中，第二层生瓷片、第三层生瓷片、第四层生瓷片的形状为T形，第一层生瓷片、第五层生瓷片的形状为矩形；
S12、利用打孔机在3层T形生瓷片右侧的相同位置打出过孔并在第三层生瓷片上的左侧打出预定尺寸大小的电容孔腔；
S13、将金属铂浆料填充在3层T形生瓷片的过孔里以实现螺旋电感与电容下极板的连接，填充完成后，将生瓷片置于150-200℃的烘干机上，进行15-20min的烘干处理；
S14、制备两个丝网印刷网版，其中一个网版绘制电容上极板与电感图形，另一个网版绘制电容下极板图形，将两个网印刷网版分别置于丝网印刷台上固定，利用酒精将第二生瓷片和第四生瓷片擦拭干净后，将第二层生瓷片和第四层生瓷片分别与第一个丝网印刷网版和第二个丝网印刷网版上的电路图形对准，利用刮刀使金属铂浆料通过网版均匀地印刷在生瓷片上，使压敏LC回路的矩形螺旋电感线圈、电容上极板和电容下极板分别位于第二层生瓷片上表面侧、第二层生瓷片上表面左侧及第四层生瓷片上表面左侧，将丝网印刷后的两层生瓷片置于烘干炉15-20min进行烘干处理；
S15、将第五层生瓷片、第四层生瓷片、第三层生瓷片、第二层生瓷片、第一层生瓷片从下往上依次放入叠片机中进行叠片处理，得生瓷片叠层，其中，在第三层生瓷片放入叠片机后，需在其压敏电容空腔内填充与空腔大小相同的碳膜；
S16、对生瓷片叠层进行真空处理后，进行层压处理；
S17、将层压完成后的生瓷片叠层，置于设定好升温曲线的马弗炉中，进行升温烧结，其中，烧结的峰值温度设定为1500℃，保温30min，升温完成后，关闭马弗炉电源与加热按钮，使生瓷片自然降温，烧结过程可以使碳膜排出；
S2、耐高温陶瓷样机封装管壳的制备
S21、采用陶瓷注浆成型法制备出所需初始的实心氧化铝陶瓷坯件，经激光打孔机在陶瓷坯件的上方、左侧及右侧分别打出气流孔、压敏元件安装槽、耐高温天线安装槽；
S22、对打孔后的陶瓷坯件的表面进行研磨与抛光以去除多余的毛坯；
S23、利用焊接工艺将螺纹焊接在陶瓷坯件的表面，其中，螺纹是由高温合金制备而成，完成最终耐高温陶瓷样机封装管壳的制备；
S3、耐高温陶瓷读取天线的制备
S31、选取3片切好的氧化铝陶瓷生瓷片，其中，两片为矩形，一片为T形；利用酒精擦拭氧化铝陶瓷生瓷片后，在T形生瓷片上表面的右侧采用丝网印刷工艺印刷矩形螺旋电感结构；
S32、在叠片机中依序放入生瓷片进行叠片，其中，T形生瓷片位于中间，两矩形生瓷片与T形生瓷片的左侧对齐；
S33、对叠片完成的生瓷片进行真空处理后，进行层压处理；
S34、层压结束后，利用马弗炉对生瓷片进行升温烧结，升温结束后，关闭马弗炉电源与加热按钮，进行自然降温，烧结结束后，耐高温陶瓷读取天线制备而成；
S4、氧化铝陶瓷超高温压力传感器的封装工艺
S41、将制备所得的耐高温陶瓷压敏元件安装在耐高温陶瓷样机封装管壳一侧，然后在耐高温陶瓷压敏元件的上表面与下表面分别放置耐高温防热防震棉；
S42、在耐高温陶瓷样机封装管壳的另一侧安装耐高温陶瓷测试天线；
S43、利用陶瓷焊接工艺分别将读取天线、耐高温陶瓷压敏元件与耐高温陶瓷样机管壳的连接处进行封接，实现氧化铝陶瓷超高温压力传感器样机的密封封装。
2.如权利要求1所述的一种基于氧化铝陶瓷的超高温燃气压力传感器封装工艺方法，其特征在于，所述步骤S34中，烧结的峰值温度设定为1500℃，保温30min。
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