CN114061786A - 声表面波温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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李向荣
张磊
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Abstract

本发明公开一种声表面波温度传感器及其制备方法，涉及声表面波器件技术领域，声表面波温度传感器包括相互电连接的传感模块和天线模块，其中，天线模块包括第一耐高温基底和形成在该第一耐高温基底表面的图形化天线，第一耐高温基底第一表面上形成有凹槽，传感模块固定于该凹槽内。本发明提供的声表面波温度传感器传感模块和天线模块形成一个整体，相比于现有技术，体积大大缩小，能更好地实现在高温狭小的空间内进行温度的无线无源监测。而且传感模块能集成在天线模块中，这种结构更便于批量加工。

Description

声表面波温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及声表面波器件技术领域，尤其涉及一种声表面波温度传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着传感器产品的功能越来越多，体积越来越小，并且需要在高温、狭小密闭等恶劣环境下测试并应用，例如航天飞行器、涡轮发动机等。航天飞行器运行过程中往往伴随着高温等恶劣环境，尤其是高超音速飞行器表面、航空发动机以及燃气轮机等关键部位，局部温度甚至超过800℃，因此，恶劣环境下温度的原位实时获取，对于航天飞行器的材料选型、结构设计以及防护措施等具有重要意义。
与传统的有线有源器件相比，基于耐高温材料的无线无源传感器件在高温狭小密闭等恶劣环境下测试具有显著优势，声表面波技术可实现远距离传感器信号无线无源监测。由于声表面波传感器结构简单、体积小、抗干扰性能强、稳定性好、可进行无线无源的测试，是目前具有应用前景的无线监测技术。
现有的声表面波温度传感器采用传感模块和外接天线模块的结构，传感模块包括叉指换能器和反射栅，传感模块和天线模块分离存在，且天线模块多数采用偶极子天线结构，体积较大，使得整个声表面波温度传感器体积较大，无法应用在上述具有狭小空间的环境中。
发明内容
本发明提供一种声表面波温度传感器及其制备方法，用以克服上述现有技术中存在的技术问题，可在高温狭小的空间内进行温度的无线无源监测。
本发明提供的一种声表面波温度传感器，包括相互电连接的传感模块和天线模块；所述天线模块包括第一耐高温基底和形成在所述第一耐高温基底表面的图形化天线；所述第一耐高温基底第一表面上形成有凹槽，所述传感模块固定于所述凹槽内。
进一步地，所述第一耐高温基底为高温共烧陶瓷基底。
可选地，所述图形化天线包括：位于所述第一耐高温基底所述第一表面的第一底板、位于所述第一耐高温基底上与所述第一表面相对的第二表面的第二底板和倒F天线，所述第一底板和所述第二底板通过所述第一耐高温基底上的通孔电连接；所述倒F天线包括第一水平支线、第二水平支线和垂直支线，所述第一水平支线连接所述第二底板，且与所述第一表面的接地端通过所述第一耐高温基底上的通孔电连接，所述第二水平支线通过所述第一耐高温基底上的通孔与所述第一表面的馈电端电连接，所述垂直支线环绕所述第二底板设置。
进一步地，所述垂直支线的末端通过匹配电感与所述第二底板连接。
可选地，所述传感模块包括第二耐高温基底和形成在所述第二耐高温基底表面的叉指换能器和反射栅。
进一步地，所述第二耐高温基底为硅酸镓镧基底。
本发明提供的一种声表面波温度传感器的制备方法，包括：制备传感模块；制备天线模块，所述天线模块包括第一耐高温基底、形成在所述第一耐高温基底表面的图形化天线和形成在所述第一耐高温基底第一表面上的凹槽；将所述传感模块固定在所述凹槽内；电连接所述传感模块和所述天线模块。
可选地，所述制备传感模块的方法包括：在第二耐高温基底上涂覆光刻胶；采用传感器掩膜版光刻所述光刻胶；显影所述光刻胶后形成图形化光刻胶；在所述图形化光刻胶表面形成金属层；去除所述图形化的光刻胶以在所述第二耐高温基底表面形成叉指换能器和反射栅。
可选地，制备所述天线模块中第一耐高温基底的方法包括：切割氧化铝生瓷带，获得相同大小的M片生瓷带膜片；在所述生瓷带膜片上制作用于定位的定位孔和用于引线连接的通孔；在通孔中填充金属；在所述M片中的N片生瓷带膜片上制作用于形成所述凹槽的开口；根据所述定位孔，以所述N片生瓷带膜片层叠放置在下方，其余生瓷带膜片层叠放置在上方的方式堆叠所述M片生瓷带膜片；所述开口位置填充有牺牲层材料；将堆叠的所述M片生瓷带膜片层压并切样后形成天线基底坯样；将所述天线基底坯样烧结使所述牺牲层材料挥发以形成具有所述凹槽的所述第一耐高温基底。
可选地，所述在所述第一耐高温基底表面形成图形化天线的方法包括：采用丝网印刷模板将金属浆料沉积在所述第一耐高温基底表面；高温烧结所述第一耐高温基底形成所述图形化天线。
可选地，所述将所述传感模块固定在所述凹槽内的方法包括：在所述凹槽底部涂覆氧化铝高温陶瓷胶；将所述传感模块放置在所述凹槽中，使所述传感模块的未形成器件的底部粘结在所述凹槽底部。
可选地，所述电连接所述传感模块和所述天线模块的方法包括：用金属丝将所述图形化天线的馈电端和接地端分别与所述传感模块的电极端口焊接。
进一步地，所述制备方法还包括：高温烧结所述传感模块和所述天线模块。
本发明提供的声表面波温度传感器及其制备方法中，由于天线模块的图形化天线形成在第一耐高温基底表面，同时基底的第一表面上还形成有一个凹槽，传感模块固定在该凹槽中并与天线模块电连接，使得传感模块和天线模块形成一个整体，相比于现有技术，体积大大缩小，能更好地实现在高温狭小的空间内进行温度的无线无源监测。而且传感模块能集成在天线模块中，这种结构更便于批量加工。
另外，天线模块采用了耐高温基底，能显著提升整个温度传感器的耐高温性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种声表面波温度传感器中第一耐高温基底第一表面的结构示意图；
图2为图1所示的声表面波温度传感器中第一耐高温基底第二表面的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种图形化天线的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种传感模块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种制备天线模块的方法流程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种制备传感器模块的方法流程示意图；
图7为本发明实施例提供的天线模块中图形化天线的仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
本发明实施例提供了一种声表面波温度传感器，如图1和图2所示，包括相互电连接的传感模块11和天线模块12。其中，天线模块12包括第一耐高温基底13和形成在该第一耐高温基底13表面的图形化天线14。该第一耐高温基底13的第一表面A上形成有凹槽15，上述的传感模块11固定于该凹槽15内。
具体地，图1展示的是第一耐高温基底13的第一表面A，图2展示的是第一耐高温基底13的第二表面B，两个表面上均形成有图形化的天线(17、21、22)。在图形化天线14的一侧并紧靠图形化天线14的第一表面A上形成有凹槽15，凹槽15里固定有传感模块11，凹槽15与图形化天线14之间的金属丝(161、162)用于电连接传感模块11和天线模块12中的图形化天线14。
本发明实施例提供的声表面波温度传感器中，由于天线模块的图形化天线形成在第一耐高温基底表面，同时基底的第一表面上还形成有一个凹槽，传感模块固定在该凹槽中并与天线模块电连接，使得传感模块和天线模块形成一个整体，相比于现有技术，体积大大缩小，能更好地实现在高温狭小的空间内进行温度的无线无源监测。而且传感模块能集成在天线模块中，这种结构更便于批量加工。
另外，天线模块采用了耐高温基底，能显著提升整个温度传感器的耐高温性能。
上述实施例中，第一耐高温基底13可以为高温共烧陶瓷(HTCC，High Temperatureco-fired Ceramic)基底，HTCC是一种新型的高导热基板和封装材料，具有高热导率、低热膨胀系数、高介电常数等特点。用该材料制备的天线模块具有优良的耐高温性能。
另外，根据天线的谐振频率公式：fr≈c/[2L(ξr)1/2]，其中c为真空中光速，L为天线的矩形贴片的长度，ξr是基底材料的相对介电常数。从公式可知，谐振频率与介电常数成反比，因此，采用高介电常数的HTCC基片可以降低谐振频率。而且，在谐振频率不变的情况下，缩小矩形贴片的长度。
现有技术中天线多采用印刷电路板作为基底，由于陶瓷基底的介电常数远高于印刷电路板，因此本发明实施例可以有效减小天线的尺寸。
上述声表面波温度传感器中，图形化天线可以如图1和图2所示，包括：位于第一耐高温基底13的第一表面A的第一底板17、位于第一耐高温基底13上与第一表面A相对的第二表面B的第二底板21和倒F天线22，第一底板17和第二底板21通过第一耐高温基底上的通孔C电连接。
其中的倒F天线22形状类似倒置放置的字母“F”，它包括第一水平支线221、第二水平支线222和垂直支线223，第一水平支线221连接第二底板21，且与第一表面A的接地端18通过第一耐高温基底13上的通孔C电连接，第二水平分支222通过第一耐高温基底13上的通孔C与第一表面A的馈电端19电连接，垂直支线223环绕第二底板21设置。
需要说明的是：馈电端19和接地端18是与第一表面A的第一底板同时形成的，也属于图形化天线14的一部分。
倒F天线具有低轮廓结构，辐射场具有水平和垂直两种极化，且由于结构紧凑而且具有等方向辐射特性，同时其良好的接地设计可以有效提高天线的工作效率，并提高传输距离。
倒F天线的垂直支线223的末端可以如图2所示，也可以如图3所示，通过匹配电感31与第二底板B连接。为了让图形化天线获得最高的发射频率，图形化天线的阻抗需要与信号源端的阻抗相匹配，如果阻抗匹配做得不好，将会有一部分功率反射回信号源端，从而使图形化天线得发射功率降低，射频信号源端的阻抗大多为50Ω，对于设计的图形化天线而言，阻抗不为50Ω，此时就需要串联匹配电感31，从而获得阻抗匹配。。
本发明实施例提供的声表面波温度传感器中图形化天线并不限于上述结构，其它任何可实现电磁波信号发射和接收功能的图形化天线均可用于本发明。
如图1和图4所示，上述声表面波温度传感器的传感模块11可以包括第二耐高温基底41和形成在第二耐高温基底41表面的叉指换能器42和反射栅43。当外界温度发生变化时，第二耐高温基底41材料由于热应力的变化引起材料属性发生变化，导致叉指换能器42到反射栅43的距离发生微小变化，以及叉指换能器42的叉指间距发生微小变化，从而影响了声表面波的传播速度，声表面波温度传感器的传感特征用谐振频率来表示，谐振频率的偏移即可表示温度的变化，因此可实现对温度的无线无源测量。
上述第二耐高温基底41多采用硅酸镓镧基底，当然也可以使用本领域技术人员所知的其它材料。
本发明实施例还提供了一种声表面波温度传感器的制备方法，该方法包括如下步骤。
步骤一、制备如图1～图4所示的传感模块11。
步骤二、制备如图1～图4所示的天线模块12，该天线模块12包括第一耐高温基底13、形成在第一耐高温基底13表面的图形化天线14和形成在第一耐高温基底13第一表面A上的凹槽15。
步骤三、将传感模块11固定在凹槽15内。
步骤四、电连接传感模块11和天线模块12。
本发明实施例提供的声表面波温度传感器的制备方法中，由于天线模块的图形化天线形成在第一耐高温基底表面，同时基底的第一表面上还形成有一个凹槽，传感模块固定在该凹槽中并与天线模块电连接，使得传感模块和天线模块形成一个整体，相比于现有技术，体积大大缩小，能更好地实现在高温狭小的空间内进行温度的无线无源监测。而且传感模块能集成在天线模块中，这种结构更便于批量加工。
另外，天线模块采用了耐高温基底，能显著提升整个温度传感器的耐高温性能。
上述方法中，制备传感模块11的方法如图6所示，具体可包括如下步骤。
601、在第二耐高温基底41上涂覆光刻胶61。
首先可以进行预处理，用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗第二耐高温基底41(可以是硅酸镓镧基底)表面，用氮气吹干，再利用匀胶机在清洗后的第二耐高温基底41表面匀一层正性光刻胶61，进行后烘，将光刻胶61里面的有机溶剂充分挥发，提高光刻质量。
602、采用传感器掩膜版光刻该光刻胶61。
603、显影该光刻胶后形成图形化光刻胶62。
可将刻有叉指电极和反射栅的传感器掩模版利用紫外线光刻机光刻，将光刻后的第二耐高温基底41在正性光刻胶61的配套显影剂中显影，去掉多余部分的光刻胶，留下具有叉指电极与反射栅图案的图形化光刻胶62。
604、在图形化光刻胶62表面形成金属层63。
可利用磁控溅射的方法在叉指电极和反射栅表面溅射铂金属，也可以使用本领域技术人员所知的其它金属材料。
605、去除图形化光刻胶62以在第二耐高温基底41表面形成叉指换能器42和反射栅43。
可以用丙酮去除图形化光刻胶62，叉指电极形成了叉指换能器42，其余部分形成了反射栅43，最终形成了如图4所示的声表面波温度传感器。图6中只显示了局部的叉指换能器42和局部的反射栅43。
606、在第二耐高温基底41表面沉积保护膜64。
之后，可以利用脉冲激光沉积系统在制成的声表面波温度传感器表面镀氧化铝薄膜200nm，其参数设置为衬底温度200℃，真空环境中，激光强度为500mJ，频率为3Hz。
在高温环境下，裸露的叉指电极和反射栅会发生团聚、龟裂、甚至断裂等现象，因此，在叉指电极和反射栅上沉积氧化铝薄膜能防止这些现象发生。
上述声表面波温度传感器的制备方法中，制备天线模块12中第一耐高温基底13的方法如图5所示，包括如下步骤。
501、切割氧化铝生瓷带，获得相同大小的M片生瓷带膜片。
可将氧化铝生瓷带切成8×8英寸的生瓷带膜片51，去除保护膜，利用风淋等方式清洁生瓷带膜片51表面。
502、在生瓷带膜片上制作用于定位的定位孔52和用于引线连接的通孔C。
可使用激光钻孔机对氧化铝生瓷带膜片51四个角打定位孔52及引线连接的通孔C，通过定位孔52将生瓷带膜片准确放置于叠片模具上。
需要说明的是，步骤502至步骤506对应的图是M片生瓷带膜片叠放在一起的剖面示意图，而且是图1和图2中沿剖切线F-F’的位置的剖面示意图。由于M的个数在不同的应用场景下不同，图中未示出各片生瓷带膜片，而是将M片生瓷带膜片作为一个整体示出。
503、在通孔C中填充金属。
504、在M片中的N片生瓷带膜片上制作用于形成凹槽15的开口D，并根据定位孔52，以N片生瓷带膜片层叠放置在下方，其余生瓷带膜片层叠放置在上方的方式堆叠M片生瓷带膜片；开口D位置填充有牺牲层材料53，之后，将堆叠的M片生瓷带膜片层压并切样后形成天线基底坯样54。
M的个数可以为8，N的个数可以为4，放置在下层的四个生瓷带膜片上需要设置开口D，开口D的大小可以为0.9cm×0.7cm×0.5mm(尺寸略大于传感模块11)。在叠片过程中，需要往开口中填充牺牲层材料53，以防止在随后的层压过程中空腔坍塌。根据生瓷带膜片的排胶时间以及厚度，可以选取碳膜作为牺牲层材料53对空腔进行填充。使用真空包装技术密封堆叠好的生瓷带膜片51，并对其进行层压。层压温度设定为75℃，压力设置为21MPa，预处理和层压时间均设定为10分钟。层压后，生瓷带膜片之间物理粘结，形成一个整体。在此之后，将层压好的生瓷带整体切样，形成天线坯样54。
505、将天线基底坯样54烧结使牺牲层材料53挥发以形成具有凹槽15的第一耐高温基底13。
将天线基底坯样54放在氧化铝陶瓷承烧板上，用镂空的薄陶瓷板盖上，以免天线基底坯样54烧结时出现翘起现象。将天线基底坯样54放入马弗炉中，设置烧结曲线。烧结过程中会有有机物排出和碳膜53挥发，在陶瓷形成致密的基底结构前碳膜53排干。天线基底坯样54上形成开槽，天线基底坯样54中的陶瓷颗粒通过无机粘合剂紧紧粘结，形成致密的陶瓷基底结构。
上述声表面波温度传感器的制备方法中，在第一耐高温基底13表面形成图形化天线14的方法如图5中的步骤506对应的图所示，具体包括如下步骤。
步骤一、采用丝网印刷模板将金属浆料沉积在第一耐高温基底13表面。
步骤二、高温烧结该第一耐高温基底13形成图形化天线14。
具体地，可采用定制的丝网印刷模板将铂浆沉积在第一耐高温基底13表面上，由于铂浆中含有大量的粘结剂及杂质，在高温烧结的过程中有机溶剂挥发排出，铂浆料形成导体，进而形成图形化天线14。
上述声表面波温度传感器的制备方法中，将传感模块11固定在凹槽15内的方法可包括如下步骤。
步骤一、在凹槽15底部涂覆氧化铝高温陶瓷胶。
步骤二、将传感模块11放置在凹槽15中，使传感模块11的未形成器件的底部粘结在凹槽15底部。
上述声表面波温度传感器的制备方法中，电连接传感模块11和天线模块12的方法可如图1所示，包括如下步骤。
用金属丝(161、162)将图形化天线14的馈电端19和接地端18分别与传感模块11的电极端口焊接。
传感模块11的电极端口是叉指换能器上两个电极的端口，图形化天线14的馈电端19和接地端18，是在第一表面A上形成第一底板17的同时形成的。
上述声表面波温度传感器的制备方法还可以包括：高温烧结传感模块11和天线模块12。
具体地，在固定传感模块11时使用了氧化铝高温陶瓷胶，另外，在电连接传感模块和天线模块时使用了金属铂浆料，因此，通过将器件放置于马弗炉中烧结，高温陶瓷胶与铂浆料在高温中烧结，使高温胶紧密粘结，同时使铂浆导电。
如图7所示，为本发明实施例提供的天线模块中图形化天线的仿真曲线，该仿真曲线采用HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真)软件进行测试后生成，通过分析仿真曲线可看出本发明实施例提供的图形化天线的谐振频率为750MHz，S11参数能够达到性能要求。图形化天线在中心频点的回波损耗为-19.5dB，说明该天线具有较好的性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种声表面波温度传感器，其特征在于，包括相互电连接的传感模块和天线模块；所述天线模块包括第一耐高温基底和形成在所述第一耐高温基底表面的图形化天线；所述第一耐高温基底第一表面上形成有凹槽，所述传感模块固定于所述凹槽内。
2.根据权利要求1所述的声表面波温度传感器，所述第一耐高温基底为高温共烧陶瓷基底。
3.根据权利要求1所述的声表面波温度传感器，所述图形化天线包括：位于所述第一耐高温基底所述第一表面的第一底板、位于所述第一耐高温基底上与所述第一表面相对的第二表面的第二底板和倒F天线，所述第一底板和所述第二底板通过所述第一耐高温基底上的通孔电连接；
所述倒F天线包括第一水平支线、第二水平支线和垂直支线，所述第一水平支线连接所述第二底板，且与所述第一表面的接地端通过所述第一耐高温基底上的通孔电连接，所述第二水平支线通过所述第一耐高温基底上的通孔与所述第一表面的馈电端电连接，所述垂直支线环绕所述第二底板设置。
4.根据权利要求3所述的声表面波温度传感器，所述垂直支线的末端通过匹配电感与所述第二底板连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的声表面波温度传感器，所述传感模块包括第二耐高温基底和形成在所述第二耐高温基底表面的叉指换能器和反射栅。
6.根据权利要求5所述的声表面波温度传感器，所述第二耐高温基底为硅酸镓镧基底。
7.一种声表面波温度传感器的制备方法，其特征在于，包括：
制备传感模块；
制备天线模块，所述天线模块包括第一耐高温基底、形成在所述第一耐高温基底表面的图形化天线和形成在所述第一耐高温基底第一表面上的凹槽；
将所述传感模块固定在所述凹槽内；
电连接所述传感模块和所述天线模块。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述制备传感模块的方法包括：
在第二耐高温基底上涂覆光刻胶；
采用传感器掩膜版光刻所述光刻胶；
显影所述光刻胶后形成图形化光刻胶；
在所述图形化光刻胶表面形成金属层；
去除所述图形化的光刻胶以在所述第二耐高温基底表面形成叉指换能器和反射栅。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，制备所述天线模块中第一耐高温基底的方法包括：
切割氧化铝生瓷带，获得相同大小的M片生瓷带膜片；
在所述生瓷带膜片上制作用于定位的定位孔和用于引线连接的通孔；
在通孔中填充金属；
在所述M片中的N片生瓷带膜片上制作用于形成所述凹槽的开口；
根据所述定位孔，以所述N片生瓷带膜片层叠放置在下方，其余生瓷带膜片层叠放置在上方的方式堆叠所述M片生瓷带膜片；所述开口位置填充有牺牲层材料；
将堆叠的所述M片生瓷带膜片层压并切样后形成天线基底坯样；
将所述天线基底坯样烧结使所述牺牲层材料挥发以形成具有所述凹槽的所述第一耐高温基底。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述第一耐高温基底表面形成图形化天线的方法包括：
采用丝网印刷模板将金属浆料沉积在所述第一耐高温基底表面；
高温烧结所述第一耐高温基底形成所述图形化天线。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将所述传感模块固定在所述凹槽内的方法包括：
在所述凹槽底部涂覆氧化铝高温陶瓷胶；
将所述传感模块放置在所述凹槽中，使所述传感模块的未形成器件的底部粘结在所述凹槽底部。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电连接所述传感模块和所述天线模块的方法包括：用金属丝将所述图形化天线的馈电端和接地端分别与所述传感模块的电极端口焊接。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：高温烧结所述传感模块和所述天线模块。
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GB2613412A (en) * 2021-11-30 2023-06-07 Airbus Operations Ltd Temperature sensing device for aircraft wheel brake

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