[發(fā)明專(zhuān)利]高溫環(huán)境下壓力測(cè)試用高溫陶瓷壓力傳感器及其加工方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210503282.8
• 申請(qǐng)日: 2012-11-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103017945A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚秋林;熊繼軍;張文棟;梁庭;劉俊;薛晨陽(yáng);楊明亮;裴向東
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01L1/14
• 分類(lèi)號(hào): G01L1/14;G01L9/00
• 代理公司: 太原晉科知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓力傳感器領(lǐng)域，具體是一種高溫環(huán)境下壓力測(cè)試用高溫陶瓷壓力傳感器及其加工方法。

背景技術(shù)

航空航天等領(lǐng)域中的一些特殊環(huán)境屬于高溫環(huán)境，其環(huán)境溫度超出了現(xiàn)有測(cè)試裝置的工作溫度范圍（由極值給出的使傳感器正常工作的環(huán)境溫度范圍），因此，將現(xiàn)有測(cè)試裝置應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中存在一定的局限性，現(xiàn)有測(cè)試裝置只能應(yīng)用于溫度變化在其工作溫度范圍內(nèi)的環(huán)境中，無(wú)法應(yīng)用于特殊高溫環(huán)境。例如：500℃以上高溫環(huán)境下的壓力測(cè)試，現(xiàn)有壓力傳感器普遍采用硅材料制成，此類(lèi)壓力傳感器一般只能工作在100~200℃范圍內(nèi)，原因在于：1、高溫下硅材料本身的電學(xué)性能、力學(xué)性能會(huì)發(fā)生改變，硅器件的工作溫度>150℃時(shí)，電學(xué)性能不穩(wěn)定；>500℃時(shí)，力學(xué)性能不穩(wěn)定；>600℃時(shí)，半導(dǎo)體雜質(zhì)擴(kuò)散，不可逆電參數(shù)漂移。2、傳感器中電連接所用金屬引線(xiàn)是良熱導(dǎo)體，引線(xiàn)傳熱會(huì)導(dǎo)致電源、信號(hào)電路的溫度升高，在航空航天領(lǐng)域中彈載飛行無(wú)法向環(huán)境散熱的情況下，尤為嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)迅速失效，也說(shuō)明了金屬引線(xiàn)在高溫下應(yīng)用的局限性。

目前，有些研究工作者采用增設(shè)防護(hù)措施、或者多次隔離、或者增設(shè)氣壓導(dǎo)引管等方式對(duì)現(xiàn)有壓力傳感器進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的壓力傳感器大多數(shù)也只能在300℃左右工作，但是防熱、隔熱結(jié)構(gòu)的引入造成了器件體積的增大，氣壓導(dǎo)引管的引入引起了測(cè)試信號(hào)的失真，直接影響了測(cè)試結(jié)果；國(guó)外現(xiàn)狀相對(duì)要好一些，有些壓力傳感器可在400~500℃范圍內(nèi)工作，但其工作時(shí)間都不能太久。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了能夠長(zhǎng)時(shí)間在特殊高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效的壓力測(cè)試，提供了一種高溫環(huán)境下壓力測(cè)試用高溫陶瓷壓力傳感器及其加工方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：高溫環(huán)境下壓力測(cè)試用高溫陶瓷壓力傳感器，包括用于敏感壓力變化的感壓陶瓷件，感壓陶瓷件內(nèi)設(shè)有密閉腔室，感壓陶瓷件的上、下平面上與密閉腔室正對(duì)的區(qū)域?yàn)閴毫γ舾袇^(qū)（即壓力敏感區(qū)受壓形變能引起密閉腔室的高度變化）；感壓陶瓷件上、下平面的壓力敏感區(qū)表面分別設(shè)有電極層，兩電極層構(gòu)成電容；感壓陶瓷件上、下平面上非壓力敏感區(qū)的表面設(shè)有平面螺旋電感，平面螺旋電感一端與同面電極層相連，一端與另一面的平面螺旋電感相連，兩電極層構(gòu)成的電容與兩平面螺旋電感串聯(lián)形成LC回路。其中，所述陶瓷壓力傳感器的感壓陶瓷件為三層結(jié)構(gòu)體。

本發(fā)明所述高溫陶瓷壓力傳感器實(shí)質(zhì)是由電感線(xiàn)圈（即平面螺旋電感）、與壓力相關(guān)的可變電容串聯(lián)形成的LC回路，LC回路中可變電容的大小除與感壓陶瓷件結(jié)構(gòu)的固有參數(shù)有關(guān)外，同時(shí)與壓力導(dǎo)致的電容兩電極層間距變化量（即感壓陶瓷件內(nèi)密閉腔室的高度變化量）有關(guān)，在壓力作用下，電容的兩電極層間距變化，電容的大小發(fā)生變化，則LC回路的諧振頻率f也將改變，因此，通過(guò)檢測(cè)LC回路諧振頻率的變化，即可以獲得施加于本發(fā)明所述傳感器上的壓力大小。

在以本發(fā)明所述高溫陶瓷壓力傳感器實(shí)施壓力測(cè)試時(shí)，如圖3所示，采用線(xiàn)圈耦合方式無(wú)線(xiàn)檢測(cè)LC回路的諧振頻率，即采用一個(gè)以檢測(cè)線(xiàn)圈為天線(xiàn)的測(cè)量電路在本發(fā)明所述高溫陶瓷壓力傳感器附近進(jìn)行掃頻測(cè)量，由作為天線(xiàn)的檢測(cè)線(xiàn)圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)檢測(cè)線(xiàn)圈靠近LC回路時(shí)，則會(huì)將交變磁場(chǎng)的能量通過(guò)LC回路中的電感線(xiàn)圈耦合到LC回路中，由于檢測(cè)線(xiàn)圈和LC回路電感線(xiàn)圈的耦合，使得檢測(cè)線(xiàn)圈上有一個(gè)明顯的電壓降，這個(gè)壓降點(diǎn)就是諧振頻率點(diǎn)；通過(guò)檢測(cè)諧振頻率點(diǎn)的變化量，即可以計(jì)算出施加于本發(fā)明所述傳感器上的壓力大小。

高溫環(huán)境下壓力測(cè)試用高溫陶瓷壓力傳感器的加工方法，加工步驟如下：

a、流延，采用流延成型工藝加工獲得生瓷帶，所述生瓷帶用于實(shí)現(xiàn)感壓陶瓷件的頂瓷層、中瓷層及底瓷層；?

b、打孔，采用打孔工藝在用于實(shí)現(xiàn)感壓陶瓷件頂瓷層和中瓷層的生瓷帶上分別開(kāi)設(shè)通孔陣列（即生瓷帶上的通孔呈陣列式排布），獲得感壓陶瓷件的頂瓷層和中瓷層；頂瓷層上通孔的位置與中瓷層上通孔的邊沿在兩瓷層對(duì)位疊置時(shí)相交或內(nèi)切；

c、疊片、填充，將中瓷層疊置于底瓷層上，在中瓷層的通孔處填充能在高溫下?lián)]發(fā)的揮發(fā)性有機(jī)物，然后在中瓷層上對(duì)位疊置頂瓷層，使頂瓷層的通孔與中瓷層通孔的邊沿相交或內(nèi)切，形成三瓷層結(jié)構(gòu)；?

d、層壓、熱切，對(duì)三瓷層結(jié)構(gòu)進(jìn)行層壓處理，然后依據(jù)頂瓷層和中瓷層上通孔的陣列排布，對(duì)三瓷層結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱切，獲得與頂瓷層或中瓷層上通孔等數(shù)量的感壓陶瓷件坯體，且感壓陶瓷件坯體的頂瓷層和中瓷層上皆具有完整的單個(gè)通孔；?