一种薄膜传感器的连接结构及其加工方法与流程

本发明涉及高温环境下的信号引出方式，尤其是一种薄膜传感器的连接结构及其加工方法。

背景技术：

随着航空动力技术的发展，发动机的温度、转速不断提高，从而直接影响发动机涡轮叶片的工作寿命。通过在叶片表面布置薄膜传感器，及时获取相关参数以调整发动机工作状态，有助于发动机性能改善，保证涡轮叶片面对高温、高压、高转速等极端环境下连续工作的可靠性具有重要作用。

目前可应用于涡轮叶片上的薄膜传感器最高可承受温度超过1000℃，为实现传感器信号的有效获取，需延伸传感器引脚至叶根处，并制作焊点连接薄膜引线末端和外界的信号线。而传统延伸传感器引脚手段主要通过原位沉积敏感层相同材料，该方法增大传感器敏感范围，提高测量的不确定度，难以实现定点测量；焊点的制作方法主要在表面涂覆高温导电浆料，如高温银浆、铂浆料等，其可承受的温度范围有限，结点尺寸大且附着力小；直接在叶片内埋入引线与传感器引脚形成接触的方式，可靠性较好，但破坏了涡轮叶片表面的完整性，难以在实际中应用。

专利申请cn108534925a公开了一种基于压阻薄膜的电缆中间接头安装界面压力测量方法，步骤包括：(1)在电缆中间接头结构上选取多个截面，每个截面上选取压阻薄膜传感器的放置点；(2)确定引线位置，引线方向沿着电缆方向，与传感器的轴向平行；对传感器放置点、引线线路做标记；(3)对传感器放置点的截面进行打磨；(4)沿着已画好的线路开挖一条沟槽；(5)将传感器与引线相连接，对传感器进行粘贴，粘贴完成后涂上一层硅脂；(6)将引线沿着沟槽放置，连接到信号放大器；(7)对沟槽中未被填满的地方进行填补；(8)对电缆绝缘表面进行擦拭，擦拭结束后开始测量。该方案直接在待测表面开槽布线，及对待测面表面产生破坏，与背景所述“在叶片内埋入引线”的方案相近，且不涉薄膜与导线连接问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了有效解决高温环境下信号传输问题，尤其是涉及薄膜传感器的信号引出问题，提供一种薄膜传感器的连接结构。

本发明提供的信号引出方案主要由耐高温薄膜引线、陶瓷片和铂丝组成。以发动机涡轮叶片为例，发动机涡轮叶片表面上有薄膜传感器，通过制作耐高温薄膜引线延伸传感器引脚至叶片榫头处，使用与耐高温薄膜引线相同的材料组分作粘结剂、陶瓷片作为焊点，在陶瓷片一面加工沟槽并嵌入铂丝，最终用粘结剂将嵌好铂丝的陶瓷片粘结至耐高温薄膜引线末端。经高温烧结后的耐高温薄膜引线电阻率最低可降至约10^-4ω·cm，焊点与叶片形成牢固接触，附着力可达到3mpa。本发明提供的薄膜传感器的连接结构，解决了涡轮叶片上薄膜传感器的电信号引出问题，可在不改变表面形貌、不破坏表面结构的基础上实现高温恶劣环境下薄膜器件与外界的引线互连和信号传输。

本发明提供的方法是直接在待测表面直写薄膜引线，无需破坏结构的完整性，是一种高温薄膜导电引线制作方案，本发明中所述的开槽是在陶瓷片表面开有沟槽，嵌入铂丝并涂覆配置的材料作为高温焊点，实现薄膜和导线的连接，因此无需破坏基体或者薄膜传感器的整体结构。

本发明还提供所述薄膜传感器的连接结构的加工方法，包括耐高温薄膜引线的制备及焊点制备，通过前驱体液和导电纳米粉末混合并搅拌均匀得到泥浆，经薄膜图案化工艺和固化形成耐高温薄膜引线；焊点连接也采用上述泥浆，固化后在惰性氛围气体中进行高温烧结并退火。该制备过程工艺简洁，成本低廉，可操作性强。

最后，本发明还保护采用所述薄膜传感器的连接结构的装置，例如航空发动机叶片，以及任何具有高温测试场合的设备。

本发明中的关键点之一为耐高温薄膜引线的配方，采用前驱体液10～60％，导电纳米粉末40～90％，其中所述前驱体液为聚碳硅烷、聚硅氧烷、仲丁醇铝或聚硼硅氮烷中至少一种，所述导电纳米粉末为二硼化钛、二硼化锆、碳化钛、碳化锆、氮化钛或氮化锆中至少一种。采用上述方案的优势在于，所配置的混合物呈现泥浆状，具有一定的粘度，同时具有流动性，经薄膜图案化工艺可形成耐高温薄膜引线的初步结构，并且可以作为粘结剂实现焊点对耐高温薄膜引线和铂丝，以及焊点和基体表面的连接。上述配方中，前驱体液作为主体起连接作用，纳米粉末分散其中形成高粘度流体，并使其满足图案化工艺需求；导电纳米粉末主要用于提高材料的导电性能，并降低烧结后的热收缩性，减少开裂程度。

进一步的，上述配方形成的混合物先在160～200℃的环境下进行加热固化30～60min，实现初步连接固定；之后在400～500℃，保温1～3小时，该温度段前驱体液发生充分的交联反应，有利于提高陶瓷产率，减少孔隙；最后升温至1000～1400℃，保温30～120min，前驱体在该温度裂解，从聚合物转变成稳定的陶瓷，并改善其导电性能。之所以采用1000～1400℃，是因为温度高于1400℃陶瓷从非晶态向晶态变化，性能发生进一步变化，陶瓷粉末化；温度低于1000℃，材料的化学性质未形成稳定的状态，不利于传感器的制备。优选地，最后升温至1100-1300℃进行保温30～120min，例如1200℃。

本发明中的关键点之二在于焊点的结构设计和制备方案，焊点采用陶瓷片，优选长宽为2～6mm、厚为300～800um的陶瓷片，陶瓷片上加工有深宽与铂丝直径相近的沟槽，且沟槽中嵌有直径为200～400um的铂丝。优选地，粘结剂需涂抹至陶瓷片暴露有沟槽一面，应保证粘结剂与嵌入至沟槽部分的铂丝形成充分接触，并实现沟槽的完全填充，此时的接触电阻最小，连接力最强。

具体方案如下：

一种薄膜传感器的连接结构，包括基体、薄膜传感器、耐高温薄膜引线、铂丝和焊点，所述薄膜传感器安装在所述基体第一表面，所述耐高温薄膜引线一端连接所述薄膜传感器，另一端向外延伸；所述焊点为带沟槽的陶瓷片，所述焊点带沟槽的一侧通过粘结剂连接所述基体的第二表面，所述铂丝嵌设在所述焊点的沟槽内，所述铂丝的一端通过所述粘结剂与所述耐高温薄膜引线的延伸端相连，所述铂丝的另一端向外延伸，通过所述耐高温薄膜引线和所述铂丝，实现所述薄膜传感器与外界的引线互连和信号传输；所述第一表面和所述第二表面覆盖绝缘层。

进一步的，所述耐高温薄膜引线按质量百分比计由以下组分制备得到：前驱体液10～60％，导电纳米粉末40～90％；其中所述前驱体液为聚碳硅烷、聚硅氧烷、仲丁醇铝或聚硼硅氮烷中至少一种，所述导电纳米粉末为二硼化钛、二硼化锆、碳化钛、碳化锆、氮化钛或氮化锆中至少一种；

任选的，所述耐高温薄膜引线表面覆盖保护层。

进一步的，所述陶瓷片为氧化铝、氮化硼、氧化锆或氮化铝陶瓷片；

任选的，所述陶瓷片为圆形或方形，沟槽为通槽或半通槽，沟槽的深度、宽度尽可能接近铂丝直径大小；沟槽加工方法包括采用激光或金刚石刀片，或者采用化学刻蚀。

进一步的，所述粘结剂涂抹至所述陶瓷片暴露有沟槽的一面，所述粘结剂与嵌入至所述沟槽部分的铂丝形成充分接触，并实现对所述沟槽的完全填充；

任选的，所述粘结剂按质量百分比计由以下组分制备得到：前驱体液10～60％，导电纳米粉末40～90％；其中所述前驱体液为聚碳硅烷、聚硅氧烷、仲丁醇铝或聚硼硅氮烷中至少一种，所述导电纳米粉末为二硼化钛、二硼化锆、碳化钛、碳化锆、氮化钛或氮化锆中至少一种。

本发明还提供所述薄膜传感器的连接结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1)按照所述质量百分比称取前驱体液和导电纳米粉末；

步骤2)将步骤1)称取的材料混合并搅拌均匀，得到泥浆；

步骤3)使用步骤2)所得的泥浆经薄膜图案化工艺，从所述基体的第一表面上的所述薄膜传感器开始，延伸所述薄膜传感器引脚至所述基体的第二表面处；

步骤4)在160～200℃的环境下进行加热固化30～60min，形成所述耐高温薄膜引线；

步骤5)在所述陶瓷片表面居中位置加工一道深宽与所述铂丝外形相近的沟槽，并采用物理压制的方法将所述铂丝嵌入到所述陶瓷片沟槽中；

步骤6)使用步骤2)所得的泥浆作为粘结剂，涂抹至步骤5)中嵌有铂丝的陶瓷片表面，之后将所述陶瓷片对准所述耐高温薄膜引线末端，使所述陶瓷片中的所述铂丝的端部，与所述耐高温薄膜引线末端相连，借助夹紧装置将所述陶瓷片压紧在所述基体的第二表面上；

步骤7)在160～200℃的环境下进行加热固化30～60min；

步骤8)取下所述夹紧装置，设置升温曲线，在惰性氛围气体中进行高温烧结并退火。

进一步的，所述步骤3)中薄膜图案化工艺包括电喷印、韦森堡直写、旋涂或微挤出；

任选的，步骤8)中所述的惰性氛围可以是氮气氛围，也可以是氩气氛围，所述的升温曲线为：以1℃/min升温至400～500℃，保温1～3小时，再以2～5℃/min升温至1000～1400℃，保温30～120min，再以2～5℃/min降温至室温。

进一步的，当所述基体可以水平放置，使所述耐高温薄膜引线沿水平方向延伸时，可跳过所述步骤4)，经由步骤7)实现所述耐高温薄膜引线的固化。

本发明还保护运用所述薄膜传感器的连接结构的加工方法，加工得到的薄膜传感器的连接结构。

本发明还保护一种包含薄膜传感器的装置，所述薄膜传感器采用权利要求8所述薄膜传感器的连接结构，实现与外界的互联和信号传输。

进一步的，所述包含薄膜传感器的装置为航空发动机，所述基体为航空发动机叶片，所述第一表面为航空发动机的叶片前缘，所述第二表面为航空发动机的叶片榫头。

有益效果：

(1)本发明所采选用的前驱体液及导电纳米粉末熔点均超过2000℃，由它们配置成的泥浆在烧结后具有耐高温、高导电性、高强度和抗腐蚀性好等优点；

(2)本发明用于制作耐高温薄膜引线及焊点的方法具有工艺简单、操作方便、对设备要求不高的优点，空气氛围中，耐高温薄膜引线最高使用温度超过1000℃，焊点最高使用温度超过1400℃。

(3)本发明制作的耐高温薄膜引线及焊点粘附性好，在高温下(1000-1400℃)与基体仍保持较好的结合力。

(4)本发明有效的解决高温环境下传感器的信号引出问题，其使用范围并不仅仅局限于发动机涡轮叶片上薄膜传感器，对于任何具有薄膜传感器需要在高温(1000-1400℃)环境下进行测试场合均适用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是本发明一个实施例1提供的耐高温薄膜引线及焊点在涡轮叶片表面上的位置示意图；

图2是本发明一个实施例1提供的焊点具体结构示意图。

图中，1-叶片前缘，2-薄膜传感器，3-耐高温薄膜引线，4-叶片榫头，5-焊点，6-铂丝，7-粘结剂，8-高温绝缘层，9-陶瓷片。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。

实施例1

本实施例以航空发动机涡轮片上薄膜传感器信号引出为例进行说明。

参考图1和图2，在涡轮叶片上有一层高温绝缘层8，在其表面上制备宽度为200～500um的耐高温薄膜引线3，耐高温薄膜引线3的一端与叶片前缘1处薄膜传感器2引脚相接触，另一端延伸至叶片榫头处4与焊点5相接触。

焊点5的结构是在外形长宽为3×2mm、厚为500um的陶瓷片9上加工有深宽与铂丝直径相近的沟槽，沟槽为半通槽，采用激光加工方法，且沟槽中嵌有直径为300um的铂丝6，使用制作耐高温薄膜引线的泥浆材料作为高温粘结剂7，涂抹至陶瓷片9加工有沟槽一面，用于粘结陶瓷片9与叶片榫头4，并与耐高温薄膜引线3末端相接触形成连接。

实施例2

本实施例提供实施例1中薄膜传感器信号引出的加工方法，包括：

步骤1：通过气相沉积的方式在涡轮叶片表面加工出厚度为130um厚的nicraly和ysz复合绝缘层；

步骤2：按重量分数称取前驱体液30％，导电纳米粉末70％；其中前驱体液为聚碳硅烷，导电纳米粉末为二硼化钛；

步骤3：取上述所称取好的材料于玻璃器皿内进行混合，经磁力搅拌或超声6h；

步骤4：混合材料经充分搅拌后形成高粘度泥浆，且属于非牛顿流体，利用韦森堡直写的方式在叶片表面直写厚度10um、宽度400um的薄膜引线，保证一端接触叶片前缘处薄膜传感器引脚位置，一端接触叶片榫头处焊点位置；

步骤5：将制备好引线的叶片放置于180℃保温箱中加热40min，制成耐高温薄膜引线；

步骤6：在氧化铝陶瓷片中间加工出一道深宽与铂丝相近的沟槽并嵌入铂丝，在陶瓷片加工有沟槽一面均匀涂抹一层用于制作耐高温薄膜引线的泥浆材料，并将其作为焊点粘结至叶片榫头处的高温薄膜引线末端，并使用金属夹子将其固定，在温度设置为180℃保温箱中加热固化40min，取出冷却后再取下夹子；

步骤7：将已制备好高温薄膜引线和焊点的叶片放置于高温炉中，经抽真空后充入氮气或氩气氛围至大气压，设置升温曲线为：以1℃/min升温至450℃，保温2小时，再以5℃/min升温至1200℃，保温80min小时，再以5℃/min降温至室温。

本实施例是在航空发动机涡轮叶片上薄膜传感器测试需求背景下提出来的，但该方法并不局限于涡轮叶片上的使用，对于其它高温环境下电信号传输需求同样适用，且高温薄膜引线的制作可在后续添加一层保护层提高寿命和使用温度范围。

经检测，耐高温薄膜引线的电阻率最低可降至10^-4ω·cm，焊点与叶片形成牢固接触，附着力可达到3mpa。

实施例3

一种薄膜传感器的连接结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1)称取前驱体液和导电纳米粉末，其中前驱体液占总重10％，导电纳米粉末为90％；前驱体液为聚硅氧烷，导电纳米粉末为二硼化锆和碳化钛按照质量比为1:1混合；

步骤2)将步骤1)称取的材料混合并搅拌均匀，得到泥浆；

步骤3)使用步骤2)所得的泥浆经薄膜图案化工艺，薄膜图案化工艺为电喷印、韦森堡直写、旋涂或微挤出，从基体的第一表面上的薄膜传感器开始，延伸薄膜传感器引脚至基体的第二表面处；

步骤4)在160℃的环境下进行加热固化60min，形成耐高温薄膜引线；

步骤5)在陶瓷片表面居中位置采用化学刻蚀加工一道深宽与铂丝外形相近的沟槽，并采用物理压制的方法将铂丝嵌入到陶瓷片沟槽中；

步骤6)使用步骤2)所得的泥浆作为粘结剂，涂抹至步骤5)中嵌有铂丝的陶瓷片表面，之后将陶瓷片对准耐高温薄膜引线末端，使陶瓷片中的铂丝的端部，与耐高温薄膜引线末端相连，借助夹紧装置将陶瓷片压紧在基体的第二表面上；

步骤7)在160℃的环境下进行加热固化60min；

步骤8)取下夹紧装置，设置升温曲线，在惰性氛围气体中进行高温烧结并退火；具体的，升温曲线为：以1℃/min升温至400℃，保温3小时，再以2℃/min升温至1000℃，保温120min小时，再以2℃/min降温至室温。

实施例4

一种薄膜传感器的连接结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1)称取前驱体液和导电纳米粉末，其中前驱体液占总重40％，导电纳米粉末为60％；前驱体液为仲丁醇铝，导电纳米粉末为氮化钛；

步骤2)将步骤1)称取的材料混合并搅拌均匀，得到泥浆；

步骤3)先将基体水平放置，使用步骤2)所得的泥浆经薄膜图案化工艺，薄膜图案化工艺为电喷印、韦森堡直写、旋涂或微挤出，从基体的第一表面上的薄膜传感器开始，沿水平方向延伸薄膜传感器引脚至基体的第二表面处，初步成形耐高温薄膜引线；

步骤4)在氧化锆陶瓷片表面居中位置采用金刚石刀加工一道深宽与铂丝外形相近的沟槽，并采用物理压制的方法将铂丝嵌入到陶瓷片沟槽中；

步骤5)使用步骤2)所得的泥浆作为粘结剂，涂抹至步骤4)中嵌有铂丝的陶瓷片表面，之后将陶瓷片对准耐高温薄膜引线末端，使陶瓷片中的铂丝的端部，与耐高温薄膜引线末端相连，借助夹紧装置将陶瓷片压紧在基体的第二表面上；

步骤6)在200℃的环境下进行加热固化30min；

步骤7)取下夹紧装置，设置升温曲线，在惰性氛围气体中进行高温烧结并退火；具体的，升温曲线为：以1℃/min升温至500℃，保温1小时，再以3℃/min升温至1400℃，保温30min小时，再以3℃/min降温至室温。

实施例5

一种薄膜传感器的连接结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1)称取前驱体液和导电纳米粉末，其中前驱体液占总重20％，导电纳米粉末为80％；前驱体液为聚硼硅氮烷，导电纳米粉末为氮化锆；

步骤2)将步骤1)称取的材料混合并搅拌均匀，得到泥浆；

步骤3)使用步骤2)所得的泥浆经薄膜图案化工艺，薄膜图案化工艺为电喷印、韦森堡直写、旋涂或微挤出，从基体的第一表面上的薄膜传感器开始，延伸薄膜传感器引脚至基体的第二表面处；

步骤4)在170℃的环境下进行加热固化40min，形成耐高温薄膜引线；

步骤5)在氮化铝陶瓷片表面居中位置加工一道深宽与铂丝外形相近的沟槽，并采用物理压制的方法将铂丝嵌入到陶瓷片沟槽中；

步骤6)使用步骤2)所得的泥浆作为粘结剂，涂抹至步骤5)中嵌有铂丝的陶瓷片表面，之后将陶瓷片对准耐高温薄膜引线末端，使陶瓷片中的铂丝的端部，与耐高温薄膜引线末端相连，借助夹紧装置将陶瓷片压紧在基体的第二表面上；

步骤7)在170℃的环境下进行加热固化40min；

步骤8)取下夹紧装置，设置升温曲线，在惰性氛围气体中进行高温烧结并退火；具体的，升温曲线为：以1℃/min升温至480℃，保温1.5小时，再以4℃/min升温至1300℃，保温100min小时，再以4℃/min降温至室温。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。