蓝宝石超高温压力传感器原型样机及其制备方法与流程

本发明涉及传感器原型样机领域，具体涉及一种蓝宝石超高温压力传感器原型样机及其制备方法。

背景技术：

随着先进航空发动机、燃气轮机等大型装备性能的不断发展，对在超高温环境下工作部件的监控测试能力要求日益提高，其中以上超高温环境中压力参数的测试已逐渐成为制约这些大型装备制造的关键技术“瓶颈”。现有的高温压力传感器主要是基于硅、soi、碳化硅、陶瓷等材料，其主要通过电引线实现信号的读取，传感器的材料性能及信号读取方法限制了其工作温度范围，不可长时间稳定地实现以上超高温环境下压力参数的原位动态测试，相对于先进发动机及燃气轮机等大型装备制造中高温恶劣环境的应用还存在较大的差距。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种蓝宝石超高温压力传感器原型样机及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种蓝宝石超高温压力传感器原型样机，包括蓝宝石无源耐高温压敏元件、远距离无线传输模块，特征信号无线读取存储模块，压力传感器原型样机外侧一端安装有防热冲击板，另一端安装有散热板，压力传感器原型样机内部一侧安装有蓝宝石无源耐高温压敏元件，蓝宝石无源耐高温压敏元件由耐高温敏感电容及高温无线传输电感线圈组成，且无源耐高温压敏元件与远距离无线传输模块之间设有耐高温隔热材料层，特征信号无线读取存储模块中安装有耐高温测试天线，且所述耐高温测试天线与远距离传输线圈之间安装有隔热材料，所述蓝宝石无源耐高温压敏元件内设有敏感密封空腔，所述蓝宝石无源耐高温压敏元件、远距离传输线圈及耐高温测试天线通过电感间的互感耦合进行信号传输。

优选地，所述耐高温压敏元件通过两固定垫安装在所述压力传感器原型样机一侧；所述防热冲击板通过陶瓷螺钉紧密的固定在原型样机结构上；所述隔热材料层采用防震隔热棉。

优选地，所述散热板通过螺钉与蓝宝石密封空腔紧密组合在一起。

优选地，所述测试天线通过绕制钨杆制作而成。

本发明还提供了上述蓝宝石超高温压力传感器原型样机的制备方法，包括如下步骤：

s1、蓝宝石密封空腔的制备

s11、试样预处理：

选用直径为2英寸厚度为0.6mm的蓝宝石单抛片及双抛片，使用飞秒激光器在蓝宝石双抛片中间加工出1cm*1cm大小的方形电容空腔；通过丙酮试剂对蓝宝石单抛片进行去污处理，并通过超声波对其表面的杂质进行清洗，清洗完成后，将蓝宝石基片置于烘干箱中待用；

s12、中间层制备

取厚度为50μm的99氧化铝生带，在其上切割6cm*6cm方形孔；

s13、扩散焊接

将所得的蓝宝石单抛片、中间切割有电容空腔的蓝宝石双抛片，以及中间切割有方形孔的氧化铝生带，按单抛片-氧化铝生带-蓝宝石双抛片-氧化铝生带-单抛片的顺序组装后，置于高温加热炉中，在其上盖一块直径为6cm的刚玉块；关上炉门，打开烧结炉开关，调节烧结炉工艺参数曲线使得组合式样按设定的温度参数曲线逐渐升温；

初次烧结完成后，挑选出中间焊接层没有发生形变的蓝宝石组合式样，将其水平的放入已经抽真空并充入氮气作为保护气体的真空热压炉中，然后，打开加热开关，按照设定的焊接工艺参数来对炉子进行升温、恒温及加压处理，实现各层基片之间的扩散焊接；

s2、蓝宝石无源lc压敏元件的制备

首先，使用丙酮试剂对具有密封空腔的蓝宝石基片进行油污清洁处理，并通过超声波对其表面的杂质进行清洗；然后，以蓝宝石基片的切割面作为丝网印刷层，通过丝网印刷—烘干—高温烧结—丝网印刷—烘干—高温烧结的两印两烧的厚膜集成工艺技术，将铂电容极板及铂电感元件集成于具有密封空腔的蓝宝石基片上，进而实现了以铂为导电材料，蓝宝石为衬底材料的无源lc耐高温压敏元件的制备；

s3、蓝宝石超高温压力传感器原型样机的封装

按上述的结构将所制备的耐高温压敏元件集成于所制备的传感器样机上，并对原型样机的防热震材料、远距离传输线圈以及高温测试天线进行安装，最后使用陶瓷螺钉将防热流冲击板与散热板紧密的固定在陶瓷结构上实现原型样机的封装，最终完成蓝宝石超高温压力传感器原型样机的制备。

进一步地，所述步骤s13中，0-150℃升温速率为10℃/min，150℃恒温20min，150-1500℃升温速率为10℃/min，1500℃恒温30min，1500℃-800℃降温速率为10℃/min；800℃之后随炉温自然冷却。

进一步地，所述步骤s13中，所述的焊接工艺参数的温度工艺参数为：室温-1100℃升温速率约为20℃/min恒温时间20min；1100℃-1500℃升温的速率约为15℃/min恒温时间约为20min；1500℃-1680℃升温速率约为5℃/min，恒温时间大于为3h；1680℃-800℃降温速率约为5℃/min；待炉温降至800℃之后，则可以关闭加热使其随炉温自然冷却。

本发明具有以下有益效果：

针对氧化铝陶瓷耐高温压敏元件工作温度的局限性，提出了一种蓝宝石超高温压力传感器原型样机，选用氧化铝陶瓷做为钎焊层，通过扩散焊接工艺实现了蓝宝石密封空腔的制备，通过厚膜集成工艺实现了无源耐高温压敏元件的制备；为了实现高温环境下远距离的信号测试，我们分别制作两个lc回路，一个作为压力敏感回路，另一个作为远距离传输回路，通过线圈之间的互感耦合来实现在较高的温度环境中远距离信号的原位测试。

附图说明

图1为本发明实施例蓝宝石超高温压力传感器原型样机的结构示意图。

图2为本发明实施例中蓝宝石密封空腔的扩散焊接示意图。

图3为本发明实施例中焊接好的式样实物图

图4为本发明实施例中蓝宝石电容元件的制备工艺流程图。

图5为本发明实施例中蓝宝石超高温压力传感器原型样机封装顺序图。

图6为本发明实施例中焊接温度对连接强度的影响。

图7为本发明实施例中焊接时间对连接强度的影响。

图8为本发明实施例蓝宝石超高温压力传感器原型样机的立体图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图8所示，本发明实施例提供了一种蓝宝石超高温压力传感器原型样机，分为高温区、隔热区和低温区，包括蓝宝石无源耐高温压敏元件、远距离无线传输模块，特征信号无线读取存储模块，所述蓝宝石无源耐高温压敏元件内设有敏感密封空腔1，所述敏感密封空腔1外侧一端安装有防热冲击板2，通过陶瓷螺钉紧密的固定在原型样机结构上，对暴露于恶劣环境中的电容极板起到一定的保护作用；另一端安装有散热板3，所述敏感密封空腔内一侧安装有压敏lc回路，为了防止蓝宝石压敏lc基板在振动过程中碎裂，所述防热冲击板与lc回路之间设有耐高温防震材料层，所述远距离传输线圈与散热板之间安装有耐高温测试天线7，且所述耐高温测试天线7与远距离传输线圈4之间安装有隔热垫8，所述蓝宝石敏感元件内设有隔热材料层6，通过填充隔热材料来实现高温环境与低温环境的隔离，它可以使得压敏lc回路在工作于高温环境进行特征信号原位获取的同时，远距离传输线圈可以工作于较低的高温环境进行电信号的无线传输，所述压敏lc回路与远距离传输线圈通过电感的耦合进行信号的传输。所述压敏lc回路5通过两固定垫8安装在所述敏感密封空腔1内一侧。所述防热冲击板通过陶瓷螺钉紧密的固定在原型样机结构上。所述隔热材料层采用防震隔热棉。所述散热板通过螺钉与敏感密封空腔紧密组合在一起。所述测试天线通过绕制钨杆制作而成。

本具体实施中的低温环境并不是低于室温环境，它是相对于样机前端较高的超高温温度环境而言的，通常当高温区温度环境高于1200℃时，低温区的温度位于200℃-400℃之间。

蓝宝石超高温压力传感器原型样机的封装

(1)实验准备

首先，通过烧结成型方法实现99氧化铝陶瓷的防热冲击板、原型样机结构、散热板以及相应的陶瓷螺钉的制备。将抗热震材料及隔热材料按需切成直径为5cm的圆形基板，并将用于高温区的抗热震棉中间切出直径为2.5cm的圆形通孔；

然后，将直径为2mm的钨杆绕成线间距为2mm，内径为2mm，外径为5cm的平面螺旋电感线圈；

最后，使用丙酮试剂对待封装的蓝宝石敏感元件、远距离无线传输模块表面的污垢进行清洗，并通过超声波对元件表面的杂质进行清洗。

(2)试样预处理：

选用直径为2英寸厚度为0.6mm的蓝宝石单抛片及双抛片，使用飞秒激光器在蓝宝石双抛片中间加工出1cm*1cm大小的方形电容空腔；通过丙酮试剂对蓝宝石单抛片进行去污处理，并通过超声波对其表面的杂质进行清洗，清洗完成后，将蓝宝石基片置于烘干箱中待用；

(3)中间层制备

取厚度为50μm的99氧化铝生带，在其上切割6cm*6cm方形孔；

(4)扩散焊接

将所得的蓝宝石单抛片、中间切割有电容空腔的蓝宝石双抛片，以及中间切割有方形孔的氧化铝生带，按单抛片-氧化铝生带-蓝宝石双抛片-氧化铝生带-单抛片的顺序组装后，置于高温加热炉中，在其上盖一块直径为6cm的刚玉块；关上炉门，打开烧结炉开关，调节烧结炉工艺参数曲线使得组合式样按设定的温度参数曲线逐渐升温；

初次烧结完成后，挑选出中间焊接层没有发生形变的蓝宝石组合式样，将其水平的放入已经抽真空并充入氮气作为保护气体的真空热压炉中，然后，打开加热开关，按照设定的焊接工艺参数来对炉子进行升温、恒温及加压处理，实现各层基片之间的扩散焊接；

(5)蓝宝石无源lc压敏元件的制备

首先，使用丙酮试剂对具有密封空腔的蓝宝石基片进行油污清洁处理，并通过超声波对其表面的杂质进行清洗；然后，以蓝宝石基片的切割面作为丝网印刷层，通过丝网印刷—烘干—高温烧结—丝网印刷—烘干—高温烧结的两印两烧的厚膜集成工艺技术，将铂电容极板及铂电感元件集成于具有密封空腔的蓝宝石基片上，进而实现了以铂为导电材料，蓝宝石为衬底材料的无源lc耐高温压敏元件的制备，具体制备工艺如下：

首先，将进行过预处理的具有密封空腔的蓝宝石基片置于丝网印刷台上，调节丝网印刷台的x，y方向的旋钮实现网版与基片之间的准确对准；然后，将铂电子浆料置于网板上，通过推动刮刀完成lc压敏元件上极板的丝网印刷，将印刷好的电性能元件置于红外干燥炉进行150℃，20min烘干处理；最后，使用与上极板相同的制备工艺完成蓝宝石下极板的制备，并将烘干后的丝印基板置于高温烧结炉中进行高温烧结，完成蓝宝石无源lc压敏元件的制备。

(6)蓝宝石超高温压力传感器原型样机的封装

按照图5的顺序依次对原型样机进行封装。待完成蓝宝石无源耐高温压敏元件的封装之后，按照图5的顺序依次对原型样机的防热震材料以及测试天线等组件安装，最后使用陶瓷螺钉将防热流冲击板与散热板紧密的固定在陶瓷结构上实现原型样机的封装，最终完成蓝宝石超高温压力传感器原型样机的制备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。