专利名称：高温压力传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于压力传感器的技术领域，具体涉及一种高温压力传感器及其制备方法。
背景技术：
目前，国际范围内MEMS结构的压力传感器在超过400 V以上环境下进行稳定测量尚有难度。在高温环境冲击使得压力敏感结构失效或温度噪声造成压力信号不可传输。对于一些常见的压阻式压力传感器，由于需要对电桥供电和电压检测，连接电桥及检测电路的电引线在高温环境下的稳定性难以保证。一方面，当环境温度超过400 1:时，由于金属和半导体的互扩散作用，引线和压敏电阻的欧姆接触会发生不可逆变化；另一方面，由于高温杂质扩散作用，压敏电阻自身参数也会发生变化。从目前对金属-半导体欧姆接触的机理和工艺研究结果来看，在400 °C以上温度下，保持欧姆接触的稳定是不可能实现的，因而基于此类原理的压力传感器无法在高温下长时间工作。要实现工程上的高温环境压力测试，必须加以水冷或隔热等封装手段予以解决。而这样就会大大的增加压力传感器的体积和复杂性，并导致某些对体积要求苛刻或无法提供水冷的工况环境下的高温压力测量难以实现.。
发明内容
本发明针对以上现实高温恶劣环境下的MEMS传感器难点，解决了现在压力传感器在高温高压环境中无法正常工作的问题，提供了一种可工作于高温气流环境下的基于LTCC陶瓷的无源高温压力传感器及其制备方法，其可工作在在400 °C以上且无需提供电源。本发明采用如下的技术方案实现:
一种高温压力传感器，其特征在于其包括自上而下的四层，第一层即顶层上表面一侧刷有平面方形螺旋电感，顶层上表面另一侧刷有电容上极板，电容上极板与平面方形螺旋电感的外圈串联；第二层设有密封的压力空腔，第三层覆盖于第四层上表面将电容下极板与压力空腔隔开；第四层即底层上表面刷有电容下极板，电容下极板通过填充有银浆的过孔与顶层平面方形螺旋电感的内部环心连接。四层结构采用LTCC低温陶瓷材料，电感和电容极板采用银浆。高温压力传感器的制备方法，步骤如下:
1)、准备生瓷片，将切好的生瓷片放于烘干炉中预处理，
2)、冲压第一、二、三层生瓷片上的过孔、第二层上的空腔结构以及第一层对应空腔结构处的气孔，打孔时将生瓷片膜置于上面，
3)、在填孔机中置过孔网版，加入银浆，对第一、二、三层生瓷片上过孔进行填充，并进行烘干烧结实现金属化，即互联通孔金属化，填充机采用顶层抽吸的方法来实现通孔的填充，在通孔内填上金属浆料并进行烘干烧结实现金属化， 4)、将金属图形网版置于丝网印刷机上，待生瓷片与丝网印刷版对准后加入银浆料，通过精密丝网印刷使每层生瓷片形成电路图形，再对第三层生瓷片用调制好的碳浆料进行多次印刷，使其厚度等于生瓷片的厚度，
5)、将印刷好的生瓷片置于烘干炉中烘干，使浆料干结，通过叠片机将印刷好的金属化图形和形成互联通孔的生瓷片，按照预先设计的层数和次序叠到一起，紧密粘结，形成一个完整的多层基板胚体，其中第二层为含空腔的方孔生瓷片，对空腔进行碳浆料的填充，
6)、将各层生瓷片进行叠片，将生瓷片包封好保证包封不漏气且层压板四个边上有销钉定位，将包封好的生瓷片置于层压机中进行层压，
7)、将层压后的瓷片按照设定的升温曲线进行烧结，常温 450°C，升温速率
2.5 V 2.7 V /min; 450 V 850 V，升温速率 4.5 V 4.8 V /min; 450 V，恒温 22.3min;850°C 常温，降温速率30C 3.10C /min ；
8)、烧结完成后将玻璃微珠放于气孔处按照设定的升温烧结曲线进行高温二次烧结，常温 500°C，升温速率22°C 25°C /min; 500 °C 650°C，升温速率6 °C 8 °C /min;650°C 820°C，升温速率 8°C 9°C /min; 820°C 850°C，升温速率 1°C 2°C /min ;850°C，恒温15 20min ；850°C 700°C，降温速率6V 8°C /min ；700°C 常温，自然降温。本发明所述的传感器各层结构材料优选为DuPont951陶瓷材料，DuPont951陶瓷材料为一种LTCC低温陶瓷材料，具有很好的抗腐蚀性和长期稳定性、易于加工、耐高温且有一定的机械强度等许多优良特性。本发明电感与电容极板材料优先选与DuPont951陶瓷材料配套的耐高温银浆，如DuPont6142D银浆，银浆料与陶瓷片有相近的热膨胀系数和相近的收缩率，浆料与陶瓷能够很好地粘合在一起。本发明采用将电容设计在一侧电感设计在另一侧，电容与电感的分开设计可以有效地防止电感与电容极板间寄生电容的产生，将电感线圈的宽度设计为400um，线圈之间的间距设计为1mm，电感线圈的加粗与线间距的加宽提高了 Q值，且将电容板设计为10mm*10mm，加大电容极板面积受压后传感器的谐振频率变化较大，提高了传感器的灵敏度。本发明通过将压力空腔中填入碳浆料，防止了在压层中出现空腔坍塌，而且提高传感器的成型率和传感器的灵敏度，通过对层压后的结构进行高温烧结将碳从气孔挥发出去形成完好的空腔。烧结完后再将玻璃珠放于气孔处进行二次烧结封口，或使用DB-2A耐高温玻璃浆料二次烧结封口进行高温密封，使得空腔与外界隔绝达到很好的气密性。本发明通过对生瓷片打孔、印刷、叠片、层压、烧结、二次烧结而成具有耐高温和可加工性，在高温环境下具有结构可靠合理的优点，在能够满足高温环境下进行压力测量的同时，还能长时间工作。本发明相对现有技术具有如下有益效果:可以在非接触状态下将气压信号转化为频率信号传送给测试装置，且既可以工作于常温常压下，也可以工作于高温、高压等恶劣环境下长时间工作，其工作温度可达到400 °C以上，灵敏度高、稳定性好且不易受干扰；而且其结构小巧，制造工艺简便，易于工业化生产，在化工、航天、医疗、食品和气象等技术领域具有重要的实用价值。
图1为本发明的结构示意图，
图2为传感器的上表面结构示意图，
图3为传感器的立体结构示意图，
图中:1-平面方形螺旋电感，2-电容上极板，3-过孔，4-电容下极板，5-空腔结构，6-气孔。
具体实施例方式结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明。如图1所示，高温压力传感器，其包括自上而下的四层，第一层即顶层上表面一侧刷有平面方形螺旋电感，顶层上表面另一侧刷有电容上极板，电容上极板与平面方形螺旋电感的外圈串联；第二层设有密封的压力空腔，第三层覆盖于第四层上表面将电容下极板与压力空腔隔开；第四层即底层上表面刷有电容下极板，电容下极板通过填充有银浆的过孔与顶层平面方形螺旋电感的内部环心连接。传感器的各层结构是由耐高温、抗氧化、易加工的Dupon951生瓷片烧制而成，顶层的电感与电容以及过孔采用银浆。传感器工作时，当外界压力变化时，外界压力与空腔压力形成压力差使得上电容上极板受压发生形变，电容上下极板间的距离d发生变化，电容值发生变化，从而传感器的LC电路谐振频率f发生变化。以下为上述高温压力传感器的具体制备步骤:
1)、将Dupontpt951流延带按需切成8英寸正方形生瓷片,将切好的生瓷片放于80°C烘干炉中预处理30min以上，
2)、通过程冲机调用之前设计好的打孔文件，冲压出第一、二、三层生瓷片上的过孔、第二层上的空腔结构以及第一层对应空腔结构处的气孔，为了防止出现小孔打不透的现象，打孔时将生瓷片膜置于上面，
3)、在填孔机中置过孔网版，加入DuPont6142D银浆，对第一、二、三层生瓷片上过孔进行填充，即互联通孔金属化，填充机采用顶层抽吸的方法来实现通孔的填充，在通孔内填上金属浆料并进行烘干烧结实现金属化，
4)、将金属图形网版置于丝网印刷机上，待生瓷片与丝网印刷版对准后加入银浆料，严格控制刮刀速度和刮刀角度通过精密丝网印刷使每层生瓷片形成电路图形，包括导带、电感、电容等无源器件，厚膜的浆料选用触变性、流动性且稳定性很好的耐高温DuPont6142D银浆，再对第三层生瓷片用调制好的碳浆料进行多次印刷，使其厚度约等于生瓷片的厚度，
5)、将印刷好的生瓷片置于烘干炉中100°C下20分钟，使浆料干结，通过叠片机将印刷好的金属化图形和形成互联通孔的生瓷片，按照预先设计的层数和次序叠到一起，在一定温度和压力下，使它们紧密粘结，形成一个完整的多层基板胚体(其中第二层为含空腔的方孔生片，为避免后续层压将空腔压塌，对空腔进行碳浆料的填充)，
6)、将各层生瓷片进行叠片，将生瓷片包封好保证包封不漏气且层压板四个边上有销钉定位，将包封好的生瓷片置于层压机中进行层压，15MPa等静压20分钟，其中印刷的碳浆料起到了很好的支撑作用，否则在层压机内部几十MPa的压力下空腔结构不复重在，
7)、将层压后的瓷片按照设定的升温曲线进行烧结，常温一450°C，升温速率2.5°C—2.7°C /min; 45(TC—85(TC，升温速率 4.5°C—4.8°C /min; 45(TC，恒温 22.3min; 850°C—常温，降温速率3°C—3.10C /min,
8)、烧结完成后将玻璃微珠放于气孔处按照设定的升温烧结曲线进行高温二次烧结，常温一500°C，升温速率 22°C — 25°C /min; 500°C — 650°C，升温速率 6°C — 8°C /min;650°C—820°C，升温速率 8°C—9°C /min; 820°C—850°C，升温速率 1°C—2°C /min ；850°C,恒温15 — 20min ;850°C — 700°C，降温速率6°C — 8°C /min ;700°C —常温，自然降温。使玻璃珠熔化进行封口或使用DB — 2A耐高温玻璃浆料进行高温密封，其密封性好、热膨胀系数与陶瓷相似且粘稠度好，烧结完成后表面光亮平整与瓷体结合强度高使空腔与外界有很好的隔离，
9)、实验并测试完成压力传感器的制备。本发明所提供的基于LTCC的高温压力传感器结构小巧，制造工艺简便，整体成本较低，便于工业化生产，优于已为人知的高温压力传感器，可应用在化工、石油、航天等领域的恶劣环境中具有重要的实用价值。
权利要求
1.一种高温压力传感器，其特征在于其包括自上而下的四层，第一层即顶层上表面一侧刷有平面方形螺旋电感，顶层上表面另一侧刷有电容上极板，电容上极板与平面方形螺旋电感的外圈串联；第二层设有密封的压力空腔，第三层覆盖于第四层上表面将电容下极板与压力空腔隔开；第四层即底层上表面刷有电容下极板，电容下极板通过填充有银浆的过孔与顶层平面方形螺旋电感的内部环心连接。
2.根据权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于所述的四层结构采用LTCC低温陶瓷材料，电感和电容极板采用银浆。
3.根据权利要求2所述的高温压力传感器的制备方法，其特征在于步骤如下: 1)、准备生瓷片，将切好的生瓷片放于烘干炉中预处理， 2)、冲压第一、二、三层生瓷片上的过孔、第二层上的空腔结构以及第一层对应空腔结构处的气孔，打孔时将生瓷片膜置于上面， 3)、在填孔机中置过孔网版，加入银浆，对第一、二、三层生瓷片上过孔进行填充，并进行烘干烧结实现金属化，即互联通孔金属化，填充机采用顶层抽吸的方法来实现通孔的填充，在通孔内填上金属浆料并进行烘干烧结实现金属化， 4)、将金属图形网版置于丝网印刷机上，待生瓷片与丝网印刷版对准后加入银浆料，通过精密丝网印刷使每层生瓷片形成电路图形，再对第三层生瓷片用调制好的碳浆料进行多次印刷，使其厚度等于生瓷片的厚度， 5)、将印刷好的生瓷片置于烘干炉中烘干，使浆料干结，通过叠片机将印刷好的金属化图形和形成互联通孔的生瓷片，按照预先设计的层数和次序叠到一起，紧密粘结，形成一个完整的多层基板胚体，其中第二层为含空腔的方孔生瓷片，对空腔进行碳浆料的填充， 6)、将各层生瓷片进行叠片，将生瓷片包封好保证包封不漏气且层压板四个边上有销钉定位，将包封好的生瓷片置于层压机中进行层压， 7)、将层压后的瓷片按照设定的升温曲线进行烧结，常温 450°C，升温速率.2.5 V 2.7 V /min; 450 V 850 °C，升温速率 4.5 °C 4.8 V /min; 450 V，恒温 .22.3min;850°C 常温，降温速率30C 3.10C /min ； 8)、烧结完成后将玻璃微珠放于气孔处按照设定的升温烧结曲线进行高温二次烧结，常温 500°C，升温速率22°C 25°C /min; 500 °C 650°C，升温速率6 °C 8 °C /min;650°C 820°C，升温速率 8°C 9°C /min; 820°C 850°C，升温速率 1°C 2°C /min ;850°C，恒温15 20min ；850°C 700°C，降温速率6V 8°C /min ；700°C 常温，自然降温。
全文摘要
本发明属于压力传感器的技术领域，具体是一种高温压力传感器及其制备方法，解决了现有的压力传感器由于设计不够合理导致其在高温潮湿等环境下失效无法正常工作的问题。其包括自上而下的四层，第一层刷有平面方形螺旋电感和电容上极板；第二层设有密封的压力空腔，第四层刷有电容下极板与顶层平面方形螺旋电感的内部环心连接。制备方法将压力空腔中填入碳浆料；对层压后的结构进行高温烧结将碳从气孔挥发出去形成完好的空腔。烧结完后再将玻璃珠放于气孔处进行二次烧结封口。本发明既可以在常温下工作又可以在较高的温度下工作，其工作温度可达到400℃以上，而且其结构小巧，制造工艺简便，易于工业化生产。
文档编号B32B38/04GK103115704SQ201310029
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者熊继军, 谭秋林, 李晨, 洪应平, 张文栋, 刘俊, 薛晨阳, 梁庭, 王伟, 康昊, 葛冰儿, 杨明亮 申请人:中北大学