CN115183932A - 一种薄膜型压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种薄膜型压力传感器，其特征在于，包括：绝缘基底和绝缘盖片；所述绝缘基底的表面和内部空腔中均包括蛇形状排列的压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中。本发明实施例用立体光固化增材制造技术将聚合物打印为蛇形图案并热解为陶瓷薄膜，蛇形图案是为了增加压阻传感的有效物质；在空腔内用相同电阻的压阻材料制备一个不感受压力的相同蛇形图案，连接到全桥电路中，作为温度补偿；以绝缘的氧化铝/石英复合陶瓷材料为基底，将前驱体陶瓷(PDCs)制备于该基底上，氧化铝材料提供绝缘性和耐高温性，石英材料提高与硅基前驱体陶瓷的结合强度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其是一种薄膜型压力传感器及其制备方法。
背景技术
发动机是整架飞机的心脏，其工作过程要求发动机控制系统能在任何环境和工作状态下稳定、可靠运行，并且充分发挥性能效益。其中，传感器是获取前端信息最重要的工具，传感器的信息可靠性决定着发动机控制系统的运行质量。发动机的气体压强信号，是航空发动机控制系统测量的重要参数之一，用于发动机的推力管理、喘振检测和状态监控等目的。不同发动机可能有着不同的压力测量点，但因为传统的压力传感器体积大，使用温度不够高，均无法原位测量气体压强。目前使用较多的是将气体从压力测量点通过管路引到发动机电子控制器(EEC)，再通过放置于EEC上的压力传感器测量气体压强，由此估算燃烧室压力，从而控制推力级别和计划燃油流量。这种传递过程中，难免有一些压力损失和压力传递延迟。航空发动机使用的压力传感器要求高可靠性、高精度，目前多使用硅压阻式传感器和硅微机械谐振式压力传感器。但是上述传感器只能用到350℃。以SiC为压阻材料的传感器最高使用温度为600℃。新一代航空发动机在效率和推力方面有很大的提高，涡轮发动机燃烧室的温度已达到1500℃以上，涡前温度1000-1500℃，尾喷管处也大于500℃，对发动机内部的数据监测和对压力传感器的耐温性能要求进一步提高。
新型聚合物前驱体陶瓷(Polymer-derived ceramics,PDCs)具有良好的高温热稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性，工艺上的易成型性。典型的PDCs是非晶态，陶瓷的固体结构受到前驱体聚合物的影响很大。PDCs表现出良好的半导体特性，材料的电导率随测试温度的升高逐渐增大。SiCN陶瓷的半导体效应可保持至高达1300℃，远远高于以SiC为代表的晶态半导体。此外，它在超过1000℃高温下仍然具有压阻特性，且一些PDC的压阻系数可以超过103，远远高于Si(K＝37.5)和SiC(K＝30)常用的压阻陶瓷，在制备高温压力传感器方面优势显著。
PDCs的前驱体是聚合物，可从合成源头上进行分子设计，且可以通过调控前驱体达到对陶瓷的结构、成分、性能的调控。此外，大多数PDCs的前驱体是液态聚合物，拥有优异的流变性，能够采用挤出、注射、纺丝、模塑等众多加工方式，易加工性是其天然优势。因此，低维复杂形状的PDCs，可先通过聚合物的方法成型，然后再将其转化为陶瓷精密部件。增材制造的兴起，更是弥补了原有的微加工方法在复杂形状制作上的不足。硅碳氮陶瓷(SiCN)、硅硼碳氮陶瓷(SiBCN)的前驱体聚硅氮烷(PSN)和聚硅硼氮烷(PSNB)的增材制造有很多种方法，包括墨水直写技术(DIW)和立体光固化成型(SLA)。SLA对前驱体有一定的要求：有足够数目的光敏基团提供固化反应，且需要合适的光引发剂和光吸收剂来引发固化反应以及控制光渗透的深度。因此商用的前驱体不能直接用于SLA。常用的改进途径有：(1)对已商业化的陶瓷产率(Ceramic yield)高的前驱体进行化学改性，接枝丙烯酸/乙烯基等光敏基团；(2)将高陶瓷产率的前驱体与光敏树脂进行混合。这种方式较为简单且容易实现，但可能导致混合后体系的陶瓷产率降低；(3)从合成源头入手，由低分子量的光敏性前驱体共聚反应得到聚合物前驱体。
目前满足高温极端环境，如涡轮发动机内部应用的压力传感器研发的主要瓶颈在于高温下材料的功能性退化，且没有贴合应用场景设计的薄膜型传感器。下一代高温传感器的主要技术困难在于传感器的核心功能材料需要长时间工作在高温、高压等条件下，且须实现薄型、微结构制备以不影响被测系统整体的功能性实现和结构应力分布。解决这类问题，需要在传感器材料和设计方面均实现突破。而PDCs既可以满足功能性——高温下良好的压阻性，又满足了性能的设计性——前驱体可从分子级别去设计，以及易加工性——采用聚合物的方法成型，尤其是增材制造技术的兴起，能够制备纳米级别精度的轻薄构件。
在长期的研究基础上，申请人发现要制备贴合应用场景的高温传感器还存在几个问题：1)微型器件因为有效材料少，存在信号弱的问题；2)为了提高高温环境下压力测试的精度及准确度，减小测试压力偏差，需要解决高温引起的电阻漂移问题；3)除了耐高温和压力，实际环境对器件的耐腐蚀性、绝缘性的要求。
发明内容
本发明实施例提供一种薄膜型压力传感器，包括：绝缘基底和绝缘盖片；
所述绝缘基底的表面和内部空腔中均包括蛇形图案的压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中。
进一步地，所述压阻陶瓷薄膜为SiCN或SiBCN硅基陶瓷薄膜。
进一步地，所述绝缘基底或绝缘盖片为氧化铝/石英陶瓷材料。
本发明实施例还提供一种薄膜型压力传感器的制备方法，包括：
利用立体光固化3D打印设备在绝缘基底的表面和内部空腔中通过立体光固化增材制造技术打印蛇形图案的硅基聚合物；
对所述硅基聚合物进行高温热解制备形成压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中形成的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中；
在已制备好压阻陶瓷薄膜的陶瓷基板上覆盖氧化铝/石英复合陶瓷材料绝缘盖片并烧结，制备得到压力传感器。进一步地，所述硅基聚合物为聚硅氮烷或聚硼硅氮烷。
进一步地，预先在所述硅基聚合物中添加光引发剂、活性稀释剂、光吸收剂、阻聚剂或缓聚剂。
进一步地，光引发剂包括Irgacure-819或Irgacure-651，活性稀释剂包括二缩三丙二醇二丙烯酸酯。
进一步地，光吸收剂包括但苯并三唑类或三嗪类光吸收剂，阻聚剂包括4-甲氧基苯酚。
进一步地，所述绝缘基底或绝缘盖片为氧化铝/石英复合陶瓷材料。
进一步地，所述压阻陶瓷薄膜为SiCN或SiBCN硅基陶瓷薄膜。
本发明实施例的有益效果是：用增材制造的技术将聚合物打印为蛇形图案并热解为陶瓷薄膜，蛇形图案是为了增加压阻传感的有效物质；在空腔内用相同电阻的压阻材料制备一个不感受压力的相同蛇形图案，连接到全桥电路中，作为温度补偿；以绝缘的氧化铝/石英复合陶瓷材料为基底，将前驱体打印在该基底上，氧化铝材料提供绝缘性和耐高温性，石英材料提高与硅基PDCs陶瓷的结合强度。
本发明采用立体光固化增材制造的技术成型PDCs材料作为压阻传感的核心部件；使用蛇形设计提高系统的信号；空腔打印不受力的相同部件作为温度补偿连入电路；采用耐高温、具有绝缘特征的氧化铝/石英复合陶瓷作为基板和盖片。这种薄膜型压阻传感器方便使用，只需将它贴入/嵌入到涡轮机内壁或SOFC电堆等产品中。目前世界各国均致力于大幅度地提高原料的利用率、能源的转化率，原位监测过程的反应压力、结构的应力，是必须的技术手段。该薄膜高温传感器，不仅能用于航空涡轮发动机，对于其他高温领域，如航天、石油、煤化工、石油化工、电力、冶金、核能及国防等各种高温领域都存在着潜在应用，具有推广性和普适性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例提供的一种薄膜型压力传感器的结构示意图；
图2为本发明的实施例提供的压阻测试电路连接示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
本发明实施例提供一种薄膜型压力传感器，包括：绝缘基底和绝缘盖片；
所述绝缘基底的表面和内部空腔中均包括蛇形图案的压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中。
进一步地，所述压阻陶瓷薄膜为SiCN或SiBCN硅基陶瓷薄膜。所述绝缘基底或绝缘盖片为氧化铝/石英复合陶瓷。
如图1所示，为薄膜型压力传感器的结构示意图，其中，R2和R3为器件中受力的蛇形压阻陶瓷薄膜，R1和R4为器件中不受力的蛇形压阻陶瓷薄膜，如图2所示，在使用中可将R1、R2、R3和R4接入到压阻测试电路中。
本发明实施例还提供一种薄膜型压力传感器的制备方法，包括：
步骤一、利用立体光固化3D打印设备在绝缘基底的表面和内部空腔中通过立体光固化增材制造技术打印蛇形图案的硅基聚合物；
步骤二、对所述硅基聚合物进行高温热解制备形成压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中形成的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中；
步骤三、在已制备好压阻陶瓷薄膜的陶瓷基板上覆盖氧化铝/石英复合陶瓷材料绝缘盖片并烧结，制备得到压力传感器。
需要说明的是，在制备过程中分别在氧化铝/石英基底上和基底的空腔里，使用3D打印机通过立体光固化增材制造技术打印PSN(或PSNB)聚合物，聚合物须事先进行光敏改性，添加光引发剂、活性稀释剂、光吸收剂、阻聚剂、缓聚剂等助剂，以调整聚合物的固化速度、提高打印的精度。打印后的聚合物经过进一步固化，高温热解，获得SiCN(或SiBCN)陶瓷薄膜。蛇形陶瓷图案可以增加有效传感物质、增强压阻效应信号。其中，基底表面的陶瓷薄膜将受力，产生电阻的变化。空腔里的陶瓷薄膜不受力，在使用时连入全桥电路，如图2，可以补偿高温带来的电阻漂移。最后，在制备好压阻薄膜陶瓷的基板上，布置好导线，覆盖一个氧化铝/石英盖片，使用高温胶黏剂并烧结，得到传感器。
进一步地，所述硅基聚合物为聚硅氮烷或聚硼硅氮烷。
进一步地，预先在所述硅基聚合物中添加光引发剂、活性稀释剂、光吸收剂、阻聚剂或缓聚剂。
进一步地，光引发剂包括Irgacure-819或Irgacure-651，活性稀释剂包括二缩三丙二醇二丙烯酸酯。
进一步地，光吸收剂包括但苯并三唑类或三嗪类光吸收剂，阻聚剂包括4-甲氧基苯酚。
进一步地，所述绝缘基底或绝缘盖片为氧化铝/石英复合陶瓷。
进一步地，所述压阻陶瓷薄膜为SiCN或SiBCN硅基陶瓷薄膜。
本发明的一个实施例，分别在氧化铝/石英基底上和基底的空腔里，使用3D打印机通过立体光固化增材制造技术打印PSNB聚合物，其中，PSNB事先进行了光敏改性，添加了光引发剂Irgacure-819、活性稀释剂二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、苯并三唑类紫外光吸收剂、4-甲氧基苯酚阻聚剂，以调整聚合物的固化速度、提高打印的精度。打印后的聚合物经过进一步紫外光照固化，在1100℃下高温热解，获得SiBCN陶瓷薄膜。基底表面的陶瓷薄膜将受力，产生电阻的变化。空腔里的SiBCN陶瓷不受力，连入全桥电路。在打印好SiBCN压阻陶瓷的基板上，布置好导线，覆盖一个相同的氧化铝/石英盖片，使用高温胶黏剂并烧结。
本发明实施例的有益效果是：用增材制造的技术将聚合物打印为蛇形图案并热解为陶瓷薄膜，蛇形图案是为了增加压阻传感的有效物质；在空腔内用相同电阻的压阻材料制备一个不感受压力的相同蛇形图案，连接到全桥电路中，作为温度补偿；以绝缘的氧化铝/石英复合陶瓷材料为基底，将PDCs打印在该基底上，氧化铝材料提供绝缘性和耐高温性，石英材料提高与硅基PDCs陶瓷的结合强度。
本发明采用立体光固化增材制造的技术成型PDCs材料作为压阻传感的核心部件；使用蛇形设计提高系统的信号；空腔打印不受力的相同部件作为温度补偿连入电路；采用耐高温、具有绝缘特征的氧化铝/石英复合陶瓷作为基板和盖片。这种薄膜型压阻传感器方便使用，只需将它贴入/嵌入到涡轮机内壁或SOFC电堆等产品中。目前世界各国均致力于大幅度地提高原料的利用率、能源的转化率，原位监测过程的反应压力、结构的应力，是必须的技术手段。该薄膜高温传感器，不仅能用于航空涡轮发动机，对于其他高温领域，如航天、石油、煤化工、石油化工、电力、冶金、核能及国防等各种高温领域都存在着潜在应用，具有推广性和普适性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜型压力传感器，其特征在于，包括：绝缘基底和绝缘盖片；
所述绝缘基底的表面和内部空腔中均包括蛇形的压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中。
2.根据权利要求1所述的薄膜型压力传感器，其特征在于，所述压阻陶瓷薄膜为SiCN或SiBCN硅基陶瓷薄膜。
3.根据权利要求1所述的薄膜型压力传感器，其特征在于，所述绝缘基底或绝缘盖片为氧化铝/石英复合陶瓷材料。
4.一种薄膜型压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
利用立体光固化3D打印设备在绝缘基底的表面和内部空腔中通过立体光固化增材制造技术打印蛇形图案的硅基聚合物；
对所述硅基聚合物进行高温热解制备形成压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中形成的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中；
在已制备好压阻陶瓷薄膜的陶瓷基板上覆盖氧化铝/石英复合陶瓷材料绝缘盖片并烧结，制备得到压力传感器。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硅基聚合物为聚硅氮烷或聚硼硅氮烷。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，预先在所述硅基聚合物中添加光引发剂、活性稀释剂、光吸收剂、阻聚剂或缓聚剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，光引发剂包括Irgacure-819或Irgacure-651，活性稀释剂包括二缩三丙二醇二丙烯酸酯。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，光吸收剂包括但苯并三唑类或三嗪类光吸收剂，阻聚剂包括4-甲氧基苯酚。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘基底或绝缘盖片为氧化铝/石英复合陶瓷材料。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述压阻陶瓷薄膜为SiCN或SiBCN硅基前驱体陶瓷薄膜。
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| CN202210828572.3A CN115183932A (zh) | 2022-07-13 | 2022-07-13 | 一种薄膜型压力传感器及其制备方法 |
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2022
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