高溫壓力傳感器及其制備方法技術

本發明專利技術屬于壓力傳感器的技術領域，具體是一種高溫壓力傳感器及其制備方法，解決了現有的壓力傳感器由于設計不夠合理導致其在高溫潮濕等環境下失效無法正常工作的問題。其包括自上而下的四層，第一層刷有平面方形螺旋電感和電容上極板；第二層設有密封的壓力空腔，第四層刷有電容下極板與頂層平面方形螺旋電感的內部環心連接。制備方法：將壓力空腔中填入碳漿料；對層壓后的結構進行高溫燒結將碳從氣孔揮發出去形成完好的空腔。燒結完后再將玻璃珠放于氣孔處進行二次燒結封口。本發明專利技術既可以在常溫下工作又可以在較高的溫度下工作，其工作溫度可達到400℃以上，而且其結構小巧，制造工藝簡便，易于工業化生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于壓力傳感器的
，具體涉及一種。
技術介紹
目前，國際范圍內MEMS結構的壓力傳感器在超過400 V以上環境下進行穩定測量尚有難度。在高溫環境沖擊使得壓力敏感結構失效或溫度噪聲造成壓力信號不可傳輸。對于一些常見的壓阻式壓力傳感器，由于需要對電橋供電和電壓檢測，連接電橋及檢測電路的電引線在高溫環境下的穩定性難以保證。一方面，當環境溫度超過400 1:時，由于金屬和半導體的互擴散作用，引線和壓敏電阻的歐姆接觸會發生不可逆變化；另一方面，由于高溫雜質擴散作用，壓敏電阻自身參數也會發生變化。從目前對金屬-半導體歐姆接觸的機理和工藝研究結果來看，在400 °C以上溫度下，保持歐姆接觸的穩定是不可能實現的，因而基于此類原理的壓力傳感器無法在高溫下長時間工作。要實現工程上的高溫環境壓力測試，必須加以水冷或隔熱等封裝手段予以解決。而這樣就會大大的增加壓力傳感器的體積和復雜性，并導致某些對體積要求苛刻或無法提供水冷的工況環境下的高溫壓力測量難以實現.。
技術實現思路
本專利技術針對以上現實高溫惡劣環境下的MEMS傳感器難點，解決了現在壓力傳感器在高溫高壓環境中無法正常工作的問題，提供了一種可工作于高溫氣流環境下的基于LTCC陶瓷的無源，其可工作在在400 °C以上且無需提供電源。本專利技術采用如下的技術方案實現: 一種高溫壓力傳感器，其特征在于其包括自上而下的四層，第一層即頂層上表面一側刷有平面方形螺旋電感，頂層上表面另一側刷有電容上極板，電容上極板與平面方形螺旋電感的外圈串聯；第二層設有密封的壓力空腔，第三層覆蓋于第四層上表面將電容下極板與壓力空腔隔開；第四層即底層上表面刷有電容下極板，電容下極板通過填充有銀漿的過孔與頂層平面方形螺旋電感的內部環心連接。四層結構采用LTCC低溫陶瓷材料，電感和電容極板采用銀漿。高溫壓力傳感器的制備方法，步驟如下: 1)、準備生瓷片，將切好的生瓷片放于烘干爐中預處理， 2)、沖壓第一、二、三層生瓷片上的過孔、第二層上的空腔結構以及第一層對應空腔結構處的氣孔，打孔時將生瓷片膜置于上面， 3)、在填孔機中置過孔網版，加入銀漿，對第一、二、三層生瓷片上過孔進行填充，并進行烘干燒結實現金屬化，即互聯通孔金屬化，填充機采用頂層抽吸的方法來實現通孔的填充，在通孔內填上金屬漿料并進行烘干燒結實現金屬化， 4)、將金屬圖形網版置于絲網印刷機上，待生瓷片與絲網印刷版對準后加入銀漿料，通過精密絲網印刷使每層生瓷片形成電路圖形，再對第三層生瓷片用調制好的碳漿料進行多次印刷，使其厚度等于生瓷片的厚度， 5)、將印刷好的生瓷片置于烘干爐中烘干，使漿料干結，通過疊片機將印刷好的金屬化圖形和形成互聯通孔的生瓷片，按照預先設計的層數和次序疊到一起，緊密粘結，形成一個完整的多層基板胚體，其中第二層為含空腔的方孔生瓷片，對空腔進行碳漿料的填充， 6)、將各層生瓷片進行疊片，將生瓷片包封好保證包封不漏氣且層壓板四個邊上有銷釘定位，將包封好的生瓷片置于層壓機中進行層壓， 7)、將層壓后的瓷片按照設定的升溫曲線進行燒結，常溫 450°C，升溫速率2.5 V 2.7 V /min; 450 V 850 V，升溫速率 4.5 V 4.8 V /min; 450 V，恒溫 22.3min;850°C 常溫，降溫速率30C 3.10C /min ； 8)、燒結完成后將玻璃微珠放于氣孔處按照設定的升溫燒結曲線進行高溫二次燒結，常溫 500°C，升溫速率22°C 25°C /min; 500 °C 650°C，升溫速率6 °C 8 °C /min;650°C 820°C，升溫速率 8°C 9°C /min; 820°C 850°C，升溫速率 1°C 2°C /min ;850°C，恒溫15 20min ；850°C 700°C，降溫速率6V 8°C /min ；700°C 常溫，自然降溫。本專利技術所述的傳感器各層結構材料優選為DuPont951陶瓷材料，DuPont951陶瓷材料為一種LTCC低溫陶瓷材料，具有很好的抗腐蝕性和長期穩定性、易于加工、耐高溫且有一定的機械強度等許多優良特性。本專利技術電感與電容極板材料優先選與DuPont951陶瓷材料配套的耐高溫銀漿，如DuPont6142D銀漿，銀漿料與陶瓷片有相近的熱膨脹系數和相近的收縮率，漿料與陶瓷能夠很好地粘合在一起。本專利技術采用將電容設計在一側電感設計在另一側，電容與電感的分開設計可以有效地防止電感與電容極板間寄生電容的產生，將電感線圈的寬度設計為400um，線圈之間的間距設計為1mm，電感線圈的加粗與線間距的加寬提高了 Q值，且將電容板設計為10mm*10mm，加大電容極板面積受壓后傳感器的諧振頻率變化較大，提高了傳感器的靈敏度。本專利技術通過將壓力空腔中填入碳漿料，防止了在壓層中出現空腔坍塌，而且提高傳感器的成型率和傳感器的靈敏度，通過對層壓后的結構進行高溫燒結將碳從氣孔揮發出去形成完好的空腔。燒結完后再將玻璃珠放于氣孔處進行二次燒結封口，或使用DB-2A耐高溫玻璃漿料二次燒結封口進行高溫密封，使得空腔與外界隔絕達到很好的氣密性。本專利技術通過對生瓷片打孔、印刷、疊片、層壓、燒結、二次燒結而成具有耐高溫和可加工性，在高溫環境下具有結構可靠合理的優點，在能夠滿足高溫環境下進行壓力測量的同時，還能長時間工作。本專利技術相對現有技術具有如下有益效果:可以在非接觸狀態下將氣壓信號轉化為頻率信號傳送給測試裝置，且既可以工作于常溫常壓下，也可以工作于高溫、高壓等惡劣環境下長時間工作，其工作溫度可達到400 °C以上，靈敏度高、穩定性好且不易受干擾；而且其結構小巧，制造工藝簡便，易于工業化生產，在化工、航天、醫療、食品和氣象等
具有重要的實用價值。附圖說明圖1為本專利技術的結構示意圖， 圖2為傳感器的上表面結構示意圖， 圖3為傳感器的立體結構示意圖， 圖中:1-平面方形螺旋電感，2-電容上極板，3-過孔，4-電容下極板，5-空腔結構，6-氣孔。具體實施例方式結合附圖對本專利技術的具體實施方式作進一步說明。如圖1所示，高溫壓力傳感器，其包括自上而下的四層，第一層即頂層上表面一側刷有平面方形螺旋電感，頂層上表面另一側刷有電容上極板，電容上極板與平面方形螺旋電感的外圈串聯；第二層設有密封的壓力空腔，第三層覆蓋于第四層上表面將電容下極板與壓力空腔隔開；第四層即底層上表面刷有電容下極板，電容下極板通過填充有銀漿的過孔與頂層平面方形螺旋電感的內部環心連接。傳感器的各層結構是由耐高溫、抗氧化、易加工的Dupon951生瓷片燒制而成，頂層的電感與電容以及過孔采用銀漿。傳感器工作時，當外界壓力變化時，外界壓力與空腔壓力形成壓力差使得上電容上極板受壓發生形變，電容上下極板間的距離d發生變化，電容值發生變化，從而傳感器的LC電路諧振頻率f發生變化。以下為上述高溫壓力傳感器的具體制備步驟: 1)、將Dupontpt951流延帶按需切成8英寸正方形生瓷片,將切好的生瓷片放于80°C烘干爐中預處理30min以上， 2)、通過程沖機調用之前設計好的打孔文件，沖壓出第一、二、三層生瓷片上的過孔、第二層上的空腔結構以及第一層對應空腔結構處的氣孔，為了防止出現小孔打不透的現象，打孔時將生瓷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高溫壓力傳感器，其特征在于其包括自上而下的四層，第一層即頂層上表面一側刷有平面方形螺旋電感，頂層上表面另一側刷有電容上極板，電容上極板與平面方形螺旋電感的外圈串聯；第二層設有密封的壓力空腔，第三層覆蓋于第四層上表面將電容下極板與壓力空腔隔開；第四層即底層上表面刷有電容下極板，電容下極板通過填充有銀漿的過孔與頂層平面方形螺旋電感的內部環心連接。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：熊繼軍，譚秋林，李晨，洪應平，張文棟，劉俊，薛晨陽，梁庭，王偉，康昊，葛冰兒，楊明亮，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：