超高温无源薄膜温度传感器及其制作方法与流程

本发明属于温度传感器技术领域，具体涉及一种超高温无源薄膜温度传感器及其制作方法。

背景技术：

在高温环境下，目前国内外的测温方法主要有热电偶法，红外测温传感器，lc谐振式温度传感器等。热电偶法是接触式测温，探头置于被测环境中，这种温度传感器冷热端距离远，体积大，而且采用稀有的贵重金属，造价昂贵、使用寿命短，无法满足密闭性测量。传统温度传感器在更高温度下会发生连接引线高温失效等问题，因此无法进行更高温度的测量；红外温度传感器虽然具有非接触、相应速度快、测量准确的优点，但是红外线易受环境因素干扰，无法在灰尘、障碍等条件下工作；lc谐振式温度传感器无需外加电源、能远距离非接触式遥测读取信号，具有品质因子高及制造成本低等优点，但是由于lc型传感器品质因数q受温度影响较大，在较高温度下难以测得信号。

技术实现要素：

本发明为解决现有温度传感器无法准确测量超高温环境下的温度参数的技术问题，提供了一种超高温无源薄膜温度传感器及其制作方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种超高温无源薄膜温度传感器，包括介质基底和平面螺旋电感，平面螺旋电感位于介质基底的一侧，平面螺旋电感存在寄生电容，平面螺旋电感与寄生电容形成一个lc谐振回路。

所述平面螺旋电感的圈数为2-5圈。

所述平面螺旋电感的线宽为1-3mm。

所述介质基底采用氧化铝陶瓷制作，所述平面螺旋电感采用铂金属制作。

一种超高温无源薄膜温度传感器的制作方法，具体的制作步骤为：

a.介质基底的制作

1）流延成型，将耐高温氧化铝陶瓷浆料加入引发剂和催化剂搅拌均匀，注入到相应的模具中，加热浆料形成固相的生瓷带；

2）将生瓷带进行切片；

3）将切好的生瓷片进行叠片，然后在70℃的环境中用21mpa的压力静压5min；

4）将叠片的基底材料进行高温烧结，烧结的峰值温度为1400℃～1550℃，形成致密的陶瓷结构；

b.在介质基底上印制电路图形

（1）先制作出平面螺旋电感图形的网版；

（2）将制作出的网版置于介质基底之上，将介质基底与网版上的电路图案对齐，固定网版使其与介质基片紧密接触；

（3）在网版一端添加铂金属浆料，用刮板将浆料推向网版另一端；

（4）将印刷有电路图案的介质基底置于烘干炉中烘干，使浆料中液相组分排出；

（5）将烘干的介质基底在烧结炉里烧结，传感器制作完成。

一种超高温无源薄膜温度传感器的制作方法，采用3d打印技术进行制作，其具体的制作步骤为：

a.首先建立3d打印技术的数字模型文件，设置传感器尺寸及材料；

b.选择陶瓷粉末和液相混合剂，按照数字模型文件进行陶瓷基底打印；

c.传感器电感的制作采用3d打印中选择性激光烧结技术，

（1）首先在基底材料上打印一层镍鉻钛合金粉末；

（2）将合金粉末预热到稍低于其熔点的温度，用脉冲激光将电感位置的金属熔融；

（3）等熔融的电感冷却后去除其他部分的金属粉末。

本发明的有益效果：

1.本发明传感器利用lc谐振原理无线方式获得信号，同时将铂金属印制于高纯度氧化铝陶瓷基底上，极大的扩展了高温下温度的测试范围，能够测量最高1500℃的温度值。

2.本发明无需外加电源、能远距离非接触式遥测读取信号，能满足高温恶劣环境及密闭环境下的温度测量，而且本发明传感器比传统的lc传感器结构简单，更容易制备，降低了制造成本低。

3.本发明的传感器采用3d打印制作方法制作，具有快速精确的优点，打印时定点送料，大大节省了传感器的制作用料。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明传感器测量原理示意图；

图4为丝网印刷主要流程示意图；

图5为询问天线结构示意图；

图6为温度传感器测试系统；

图7为传感器的仿真结果图；

图8为传感器的测试结果图；

图9为激光打印制作传感器主要流程示意图；

图中：1-介质基底，2-平面螺旋电感，3-传感器，4-询问天线，5-测试系统，6-网版，7-疏孔，8-刮板，9-耐高温导线，10-sma，11-加热器，12-隔热材料，13-网络分析仪，14-机床，15-薄膜基底，16-导向套，17-主动辊，18-从动辊，19-喷头，20-激光器，21-激光束，22-压辊，23-合金粉末，24-融化的合金粉末，a-利用计算机建模，b-3d打印陶瓷薄膜，c-选择性激光烧结。

具体实施方式

如图1、2所示，一种超高温无源薄膜温度传感器，包括介质基底1和平面螺旋电感2，所述介质基底1采用氧化铝陶瓷制作，所述平面螺旋电感2采用铂金属制作，平面螺旋电感2位于介质基底1的一侧，平面螺旋电感2存在寄生电容，平面螺旋电感2与寄生电容形成一个lc谐振回路。

根据相关理论和实验结果，传感器在高温环境下q值降低，信号强度减小。高温引起传感器的寄生电容和寄生电阻增加，其中引起信号减弱的主要原因为寄生电阻的增加。所以优化传感器的结构尺寸，减小寄生电阻对传感器高温环境下获得信号至关重要。传感器寄生电阻和平面螺旋电感的导线长度、线宽、导线厚度相关，在制作工艺限定的情况下，导线厚度无法做太大变动，只能优化平面螺旋电感的线宽和长度参数。电感的总长度不宜太长，所以设置平面螺旋电感的圈数为2-5圈。电感的导线的宽度应尽量加宽，以减小寄生电阻，但导线过宽会造成金属材料的浪费，同时减小有效布线面积。最终，平面螺旋电感的导线宽度设置为1-3mm。

一种超高温无源薄膜温度传感器的制作方法，具体的制作步骤为：

a.介质基底的制作

1）流延成型，将耐高温氧化铝陶瓷浆料加入引发剂和催化剂搅拌均匀，注入到相应的模具中，加热浆料形成固相的生瓷带；

2）将生瓷带进行切片；

3）将切好的生瓷片进行层压叠片，然后在70℃的环境中用21mpa的压力静压5min；

4）将叠片的基底材料进行高温烧结，烧结的峰值温度为1400℃～1550℃，形成致密的陶瓷结构；

b.利用丝网印刷技术在介质基底上印制电路图形，如图4所示，

（1）先制作出平面螺旋电感图形的网版；

（2）将制作出的网版置于介质基底之上，将介质基底与网版上的电路图案对齐，固定网版使其与介质基片紧密接触；

（3）在网版一端添加铂金属浆料，用刮板将浆料推向网版另一端；

（4）将印刷有电路图案的介质基底置于烘干炉中烘干，使浆料中液相组分排出；

（5）将烘干的介质基底在烧结炉里烧结，传感器制作完成。

近年来3d打印增材制造技术在各行业中起到了越来越大的作用，尤其是在制造加工行业中，可实现大的构件，也可实现小的零部件及传感器件，它能实现快速成型，是最具前沿和潜力的制造技术。选区激光熔化技术(slm)是金属3d打印增材制造领域的重要部分，是一种极具发展前景的快速成型技术。利用选区激光熔化3d打印合金材料为电感线圈，设计了基于陶瓷基的无线无源高温器件，可实现1400度以上的温度无线原位测量。

采用3d打印技术进行制作一种超高温无源薄膜温度传感器的制作方法，如图9所示，其具体的制作步骤为：

a.首先建立3d打印技术的数字模型文件，设置传感器尺寸及材料；

b.选择陶瓷粉末和液相混合剂，按照数字模型文件进行陶瓷基底打印；

c.传感器电感的制作采用3d打印中选择性激光烧结(selectivelasersintering，简称sls)技术，

（1）首先在基底材料上打印一层镍鉻钛合金粉末

（2）将合金粉末预热到稍低于其熔点的温度，用脉冲激光将电感位置的金属熔融（加热到烧结温度），

（3）等熔融的电感冷却后去除其他部分的金属粉末。

制作询问天线：

本发明传感器原理基于lc谐振原理，询问天线为一个电感线圈。为了使询问天线与传感器电感达到较好的耦合效果，询问天线尺寸与传感器尺寸相近。为了简化询问天线的制作，将询问天线的圈数设置为1圈，其结构如图5所示。询问天线通过标准的sma与网络分析仪的传输线相连，与传统lc询问天线相比，本发明中的询问天线结构简单，容易制作。同时减少了寄生电阻，测的传感器信号相对较大。

本发明的测量原理：如图3所示，测试系统在低温区向询问天线发送一定频率的扫频信号，询问天线周围产生交变磁场，传感器与询问天线线圈发生电磁耦合，当交变磁场的频率达到传感器谐振频率f0时，传感器发生谐振，此时询问天线产生的磁场能量被传感器吸收，其他频率信号则被反射回去，通过分析询问天线的s参数就能测到传感器的频率信息，同时能反推出测试环境的温度。

本发明传感器的介质基底选用的是耐高温氧化铝陶瓷，高纯度氧化铝能满足1500℃以上的工作温度，介质基底制作完成后利用厚膜电路技术在介质基底上印制电感电路，电路制作使用的是铂金属，铂金属具有超高的熔点及抗氧化性能，能稳定工作在较高温度环境中。

本发明的超高温传感器测试说明：如图6所示，测试时将传感器放置于测试环境中，询问天线与传感器正对放置，中间由隔热材料隔开，传感器与询问天线距离为2~3厘米。利用网络分析仪分析询问天线端的回波损耗得到传感器的谐振频率。图7、图8分别为传感器的仿真结果和测试结果图。仿真软件选用的是ads，结果显示，传感器的谐振频率为98mhz左右，有较好的信号强度。

传感器的温度测试结果表明，传感器谐振频率随温度升高而减小，同时传感器的信号强度也在不断减小。经过信号放大，传感器在1400℃时仍然具有较好的信号强度。