一种微波散射原理的无源高温压力传感器与制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种基于微波散射测量原理的无源高温 压力传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前，高温、高压下的压力测量主要包括基于压阻效应、压电效应和LC谐振式等 测量方法。但上述测量方法在高温下的应用都存在着测试缺点，如基于半导体掺杂工艺形 成PN结电桥的压阻器件，在高温下的测量，PN结电子会发生泄露；基于压电效应的压电材 料只能在居里温度以内使用；而且这两种测量方式都需要在高温环境中直接引线，同时也 带来了寻找可靠高温焊料的难题，基于此类原理的压力传感器无法在高温下长时间工作， 因此在高温环境中应用大大受限。基于LC谐振式测量方法无需外接电源、无需导线连接， 但在高温环境中存在品质因子低和难以在多金属环境使用等缺点。
【发明内容】
[0003] 本发明为了解决现有高温、高压等恶劣环境中压力的测量方法在实际应用中，分 别存在上述不同缺陷的问题，提出了一种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器及 其制备方法。
[0004] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于微波散射测量原理的无源高温压力 传感器，其特征是包括由下而上设置的圆柱状底座结构及圆柱状密封膜片，底座结构内设 置开口向上的凹形圆柱腔，凹形圆柱腔内设有四个对称凸起的内圆柱，以降低传感器中心 频率，内圆柱高度低于凹形圆柱腔上端面，底座结构上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱 上表面溅射有金属层。密封膜片上表面溅射有金属浆料图案作为微带天线，下表面溅射有 金属浆料图案作为接地面，同时在下表面上预留有作为微带天线和凹形圆柱腔信号耦合的 缝隙；圆柱状底座和圆柱状密封膜片最后键合在一起，形成微波谐振腔。
[0005] 所述金属层采用〇? 1~〇? 2um厚的银金属层。
[0006] 基于微波散射测量原理的无线无源高温压力传感器的制备方法，包括以下步骤： 1)首先，将用量为氧化铝陶瓷粉末重量1. 5-5%的丙烯酰胺有机单体和用量为丙烯酰 胺有机单体重量4-5%的N，N' -亚甲基双丙烯酰胺交联剂溶于水溶液配成预混液，再将氧 化铝陶瓷粉末和用量为氧化铝粉末重量0. 03-0. 1%的聚丙烯酸酰胺分散剂加入预混液中， 借助球磨工艺，形成高固相、低粘度浆料；2)将上述浆料中加入用量为丙烯酰胺有机单体重 量0. 5-2%的过硫酸铵引发剂和用量为丙烯酰胺有机单体重量0. 05-1%的N，N，N，N' -四 甲基己二胺催化剂，搅拌均匀后，注入设计好尺寸的模具A中，60°C到80°C环境中加热上述 模具，待液态浆料凝固成型形成湿胚；3)将成型的湿胚从模具A中移出，在干燥箱里面保温 18~25h进行干燥，得到干胚；4)将得到的干胚进行排胶并置于高温炉中进行1400°C~ 1550°C高温烧结，形成致密的密封膜片结构；5)将上述密封膜片结构的上表面和下表面分 别真空溅射金属层，形成微带天线和接地面结构；6)利用设计好尺寸的模具B，重复上述步 骤1)到步骤4)的过程，制备由圆柱状底座、凹形圆柱腔及内圆柱构成的底座结构，然后在 底座上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表面真空溅射金属层，制成底座结构；7)将得 到的密封膜片结构和底座结构对齐放置好，再次置于高温炉中在850°C~980°C温度下烧 结，将银金属融化密封形成一个带气密空腔的整体。
[0007] 公知，微波谐振腔可以集中较多的能量，且损耗较小，因而它的品质因子远大于集 总参数LC谐振式回路的品质因子，本发明将微带天线与微波谐振腔集成一体化，为无线读 取的方式，在充分利用尺寸空间的同时，极大的提高了测试的距离；同时，二者集成在耐高 温氧化铝陶瓷材料上，极大的扩展了高温下压力测试的范围，因此基于上述微波散射原理 的无线无源高温压力传感器，在高温下的压力测量中有着良好的应用前景。
[0008] 该传感器具有在高温环境下压力测试潜在的优良性能，首先测量方式为基于微波 散射测量的无线遥测方式，传感器无需外加电源，为无源工作方式；测量压力用敏感元-凹 形谐振腔具有上千以上的Q值；同时该结构能用于多金属等恶劣环境下的压力测量；将微 带天线与微波谐振腔集成在一块，使测试距离达到了 4cm以上的同时，几乎没有增加传感 器的尺寸；最后将微带天线/凹形腔集成溅射在耐高温氧化铝陶瓷材料上，大大提高了高 温下压力测量的范围，使传感器能在700°C高温环境中进行压力测试。
[0009] 总之，本发明所述传感器结构设计合理，制造工艺简便，灵敏度高、稳定性好，能在 高温高压等恶劣环境下长时间工作，实现了基于微波散射的无源高温陶瓷压力传感器，在 高温下压力的测量中有着良好的应用前景。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明键合后的结构示意图； 图2为本发明的装配示意图； 图3为图1中圆柱状密封膜片上表面金属浆料图案的结构示意图； 图4为图1中圆柱状密封膜片下表面金属浆料图案的结构示意图； 图5为图1中圆柱状底座结构的剖视图； 图6为图1中圆柱状底座结构的俯视图； 图7为本发明的微波散射测试原理图； 图8为本发明传感器受压变形图； 图9为本发明模具A的结构示意图； 图10为本发明模具B的结构示意图； 图中：1_圆柱状底座；2-圆柱状密封膜片；3-凹形圆柱腔；4-内圆柱；5-金属层；6-微 带天线；7-接地面；8-长方形耦合缝隙；9-微波谐振腔；10-询问天线；11-扫频发射信号； 12-谐振腔+微带天线；13-回波反射信号。
【具体实施方式】
[0011] -种基于微波散射测量原理的无源高温压力传感器，如图1、2所示，包括由下而 上设置的圆柱状底座结构1及圆柱状密封膜片2,如图5、6所示，底座结构内设置开口向上 的凹形圆柱腔3,凹形圆柱腔内设有四个对称凸起的内圆柱4,以降低凹形腔的中心频率， 内圆柱高度低于凹形圆柱腔上端面，底座结构上端面、凹形圆柱腔内表面以及内圆柱上表 面派射有金属层5,金属层采用0. 1~0. 2um厚的银金属层；如图3所示，密封膜片上表面 溅射有金属浆料图案作为微带天线6,如图4所示，下表面丝网溅射有金属浆料图案作为接 地面7,同时在下表面上预留作为微带天线和凹形谐振腔信号耦合的缝隙8 ;如图1所示，圆 柱状底座和圆柱状密