一種微波散射原理的無源高溫壓力傳感器與制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及壓力傳感器技術領域，具體為一種基于微波散射測量原理的無源高溫 壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 目前，高溫、高壓下的壓力測量主要包括基于壓阻效應、壓電效應和LC諧振式等 測量方法。但上述測量方法在高溫下的應用都存在著測試缺點，如基于半導體摻雜工藝形 成PN結電橋的壓阻器件，在高溫下的測量，PN結電子會發生泄露；基于壓電效應的壓電材 料只能在居里溫度以內使用；而且這兩種測量方式都需要在高溫環境中直接引線，同時也 帶來了尋找可靠高溫焊料的難題，基于此類原理的壓力傳感器無法在高溫下長時間工作， 因此在高溫環境中應用大大受限。基于LC諧振式測量方法無需外接電源、無需導線連接， 但在高溫環境中存在品質因子低和難以在多金屬環境使用等缺點。
【發明內容】
[0003] 本發明為了解決現有高溫、高壓等惡劣環境中壓力的測量方法在實際應用中，分 別存在上述不同缺陷的問題，提出了一種基于微波散射測量原理的無源高溫壓力傳感器及 其制備方法。
[0004] 本發明是采用如下技術方案實現的：一種基于微波散射測量原理的無源高溫壓力 傳感器，其特征是包括由下而上設置的圓柱狀底座結構及圓柱狀密封膜片，底座結構內設 置開口向上的凹形圓柱腔，凹形圓柱腔內設有四個對稱凸起的內圓柱，以降低傳感器中心 頻率，內圓柱高度低于凹形圓柱腔上端面，底座結構上端面、凹形圓柱腔內表面以及內圓柱 上表面濺射有金屬層。密封膜片上表面濺射有金屬漿料圖案作為微帶天線，下表面濺射有 金屬漿料圖案作為接地面，同時在下表面上預留有作為微帶天線和凹形圓柱腔信號耦合的 縫隙；圓柱狀底座和圓柱狀密封膜片最后鍵合在一起，形成微波諧振腔。
[0005] 所述金屬層采用〇? 1~〇? 2um厚的銀金屬層。
[0006] 基于微波散射測量原理的無線無源高溫壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟： 1)首先，將用量為氧化鋁陶瓷粉末重量1. 5-5%的丙烯酰胺有機單體和用量為丙烯酰 胺有機單體重量4-5%的N，N' -亞甲基雙丙烯酰胺交聯劑溶于水溶液配成預混液，再將氧 化鋁陶瓷粉末和用量為氧化鋁粉末重量0. 03-0. 1%的聚丙烯酸酰胺分散劑加入預混液中， 借助球磨工藝，形成高固相、低粘度漿料；2)將上述漿料中加入用量為丙烯酰胺有機單體重 量0. 5-2%的過硫酸銨引發劑和用量為丙烯酰胺有機單體重量0. 05-1%的N，N，N，N' -四 甲基己二胺催化劑，攪拌均勻后，注入設計好尺寸的模具A中，60°C到80°C環境中加熱上述 模具，待液態漿料凝固成型形成濕胚；3)將成型的濕胚從模具A中移出，在干燥箱里面保溫 18~25h進行干燥，得到干胚；4)將得到的干胚進行排膠并置于高溫爐中進行1400°C~ 1550°C高溫燒結，形成致密的密封膜片結構；5)將上述密封膜片結構的上表面和下表面分 別真空濺射金屬層，形成微帶天線和接地面結構；6)利用設計好尺寸的模具B，重復上述步 驟1)到步驟4)的過程，制備由圓柱狀底座、凹形圓柱腔及內圓柱構成的底座結構，然后在 底座上端面、凹形圓柱腔內表面以及內圓柱上表面真空濺射金屬層，制成底座結構；7)將得 到的密封膜片結構和底座結構對齊放置好，再次置于高溫爐中在850°C~980°C溫度下燒 結，將銀金屬融化密封形成一個帶氣密空腔的整體。
[0007] 公知，微波諧振腔可以集中較多的能量，且損耗較小，因而它的品質因子遠大于集 總參數LC諧振式回路的品質因子，本發明將微帶天線與微波諧振腔集成一體化，為無線讀 取的方式，在充分利用尺寸空間的同時，極大的提高了測試的距離；同時，二者集成在耐高 溫氧化鋁陶瓷材料上，極大的擴展了高溫下壓力測試的范圍，因此基于上述微波散射原理 的無線無源高溫壓力傳感器，在高溫下的壓力測量中有著良好的應用前景。
[0008] 該傳感器具有在高溫環境下壓力測試潛在的優良性能，首先測量方式為基于微波 散射測量的無線遙測方式，傳感器無需外加電源，為無源工作方式；測量壓力用敏感元-凹 形諧振腔具有上千以上的Q值；同時該結構能用于多金屬等惡劣環境下的壓力測量；將微 帶天線與微波諧振腔集成在一塊，使測試距離達到了 4cm以上的同時，幾乎沒有增加傳感 器的尺寸；最后將微帶天線/凹形腔集成濺射在耐高溫氧化鋁陶瓷材料上，大大提高了高 溫下壓力測量的范圍，使傳感器能在700°C高溫環境中進行壓力測試。
[0009] 總之，本發明所述傳感器結構設計合理，制造工藝簡便，靈敏度高、穩定性好，能在 高溫高壓等惡劣環境下長時間工作，實現了基于微波散射的無源高溫陶瓷壓力傳感器，在 高溫下壓力的測量中有著良好的應用前景。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明鍵合后的結構示意圖； 圖2為本發明的裝配示意圖； 圖3為圖1中圓柱狀密封膜片上表面金屬漿料圖案的結構示意圖； 圖4為圖1中圓柱狀密封膜片下表面金屬漿料圖案的結構示意圖； 圖5為圖1中圓柱狀底座結構的剖視圖； 圖6為圖1中圓柱狀底座結構的俯視圖； 圖7為本發明的微波散射測試原理圖； 圖8為本發明傳感器受壓變形圖； 圖9為本發明模具A的結構示意圖； 圖10為本發明模具B的結構示意圖； 圖中：1_圓柱狀底座；2-圓柱狀密封膜片；3-凹形圓柱腔；4-內圓柱；5-金屬層；6-微 帶天線；7-接地面；8-長方形耦合縫隙；9-微波諧振腔；10-詢問天線；11-掃頻發射信號； 12-諧振腔+微帶天線；13-回波反射信號。
【具體實施方式】
[0011] -種基于微波散射測量原理的無源高溫壓力傳感器，如圖1、2所示，包括由下而 上設置的圓柱狀底座結構1及圓柱狀密封膜片2,如圖5、6所示，底座結構內設置開口向上 的凹形圓柱腔3,凹形圓柱腔內設有四個對稱凸起的內圓柱4,以降低凹形腔的中心頻率， 內圓柱高度低于凹形圓柱腔上端面，底座結構上端面、凹形圓柱腔內表面以及內圓柱上表 面派射有金屬層5,金屬層采用0. 1~0. 2um厚的銀金屬層；如圖3所示，密封膜片上表面 濺射有金屬漿料圖案作為微帶天線6,如圖4所示，下表面絲網濺射有金屬漿料圖案作為接 地面7,同時在下表面上預留作為微帶天線和凹形諧振腔信號耦合的縫隙8 ;如圖1所示，圓 柱狀底座和圓柱狀密