一种高温电涡流位移传感器的制作方法技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，公开了一种高温电涡流位移传感器的制作方法。本发明专利技术采用低温共烧陶瓷作为基体材料，介电损耗和热膨胀系数小，适宜在高温环境中使用。通过在陶瓷基体上打孔、通孔填充银浆和层压实现上下层的连接。采用干法刻蚀和湿法刻蚀技术结合制作Si模具，使用Si模具在陶瓷表面纳米压印得到导体路径的微通道，通过涂银浆、光刻和显影技术得到线圈金属导体。最后通过对齐、等静压、切割和烧结得到最终的感应探头。采用高温氧化铝陶瓷和无机高温胶对探头进行无缝隙封装，实现了探头位置的固定和避免油污等的腐蚀。本发明专利技术通过将LTCC技术和MEMS技术有机结合，制作的感应探头灵敏度更高、高温适应性更强以及品质因数更大。

【技术实现步骤摘要】
一种高温电涡流位移传感器的制作方法
本专利技术属于传感器
，公开了一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器的制作方法。
技术介绍
涡流检测是一种非接触式测量方式，电涡流传感器具有良好的灵敏度、线性度和动态特性，抗干扰能力强，不受油污等介质影响，因而在电力、冶金、机械等无损探测领域广泛应用。但在一些恶劣环境下，如发电厂空气预热器测量间隙及航空发动机测涡轮转速，温度很高且腐蚀性强，一般传感器满足不了温度要求，且传统电涡流传感器存在线圈尺寸均一性差、高温下铁氧磁体失效、热变形大以及电磁损耗大等问题。因此一般电涡流传感器的使用温度都不超过200℃，且关于此类的研究很少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高温电涡流传感器及其制造方法，用于解决现有技术中电涡流传感器线圈尺寸均一性差、高温铁氧磁体失效、热变形大以及电磁损耗大等问题。本专利技术的技术方案：一种陶瓷基高温电涡流传感器，包括探头组件、外壳组件和高温同轴电缆组件。探头组件包括感应线圈3、低温共烧陶瓷基体2，线圈3是通过在陶瓷基体2表面和内部制作金属导体，并将多层陶瓷层压烧结得到的。外壳组件包括上壳体6和下壳体1，两者通过螺栓连接，壳体内部填充高温绝缘胶以形成密闭环境。高温同轴电缆5通过压接的方式与探头组件的表面电极4连接，通过高温胶和上壳体6的通孔固定位置。一种高温电涡流位移传感器的制作方法，步骤如下：步骤1：预处理，使用和生瓷片尺寸相同的2～8mm厚的多孔金属极板压在生瓷片表面，在烘干炉中预处理，可以排出生瓷片的有机胶，避免在后面工序中发生较大的变形，从而影响打孔、金属图形化等关键工艺的精度。步骤2：生瓷片打孔。按照预先设计的图形在生瓷片指定位置上打通孔，孔径大小、位置精度均直接影响布线密度与基板质量，打孔方式可以是紫外激光打孔和CO2激光打孔。步骤3：通孔填充。配置一定浓度的金属浆料并在生瓷片背面涂满，通过设置压力、时间等参数，利用真空负压吸附的方法使通孔填满浆料。负压吸附方法可以是微孔注入法和丝网印刷法。步骤4：金属模具制作。以金属铝(Al)片作为基体材料，根据设计的图形制作掩膜版，利用掩膜版覆盖在基体表面干法刻蚀出垂直的侧壁，然后利用湿法刻蚀的各向同性，刻蚀出上窄下宽，具有1°～5°脱模斜度的型槽。湿法刻蚀方式可以是浸入式和喷洒式。步骤5：纳米压印，将制成的金属模具在低温共烧陶瓷基片上纳米压印得到微通道，利用去离子水处理后用惰性气体吹干表面。纳米压印技术可以是热压印和微接触印刷。步骤6：金属图形化，在低温陶瓷表面旋涂5～30μm厚的感光金属浆料，利用掩膜版在表面光刻出线圈图形、经过显影液的显影和漂洗，烘干后冷却，得到线圈金属导体。金属浆料可以是感光银浆或金浆料。步骤7：叠片和层压。将有金属化图形和形成互联通孔的生瓷片放入叠片机中，按照设计的顺序对齐堆叠在一起，真空封装后送入层压机中进行等静压，使之成为一个紧密粘结的多层基板胚体。步骤8：有约束压力辅助烧结。按照设计的尺寸对层压后的多层生瓷片进行热切割以形成单体基片，然后放入烧结炉中，采用陶瓷基板与牺牲层共同烧结法，控制烧结后基板的收缩率；步骤9：表面处理。为了防止高温下线圈表面被氧化，采用化学镀的方法在线圈表面镀金膜层，为避免线圈表面受挤压磨损发生断路，在顶层增加2～5层的空白陶瓷基体并层压烧结。步骤10：同轴电缆和电极连接。将线圈表面电极和高温同轴电缆连接的端面打磨平整，采用机械压接的方法固定，保证高温下的可靠性；步骤11：探头封装。高温陶瓷下壳体的凹槽固定线圈，上壳体通孔固定同轴电缆的位置，上下壳体通过螺栓连接，在壳体内部填充无机高温胶进行无缝隙封装，起到固定位置、抗氧化和抗腐蚀的作用。本专利技术的有益效果：1、一般传感器采用铁氧磁体作为磁芯，高温时磁性失效，增加电磁损耗并带来未知的误差和漂移；当采用空气芯作为线圈磁芯可以避免高温失效的问题，且平面多匝线圈结构可以增加电感值，提高线性测量范围。2、制作金属模具：利用干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法制作金属模具，工艺可控性好，铝(Al)模具导热系数高、耐磨性强，在压印时变形量小。模具为上窄下宽的结构更有利于脱模和后续微通道的形成。3、纳米压印得到微通道：使用金属模具在低温共烧陶瓷表面纳米压印出微通道，具有较高的分辨率，不会发生光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象，几乎无差别的将设计的图形转移到基底上。由于微通道的存在使线圈导体的厚度增加，减小了电阻，提高了传感器的品质因数。4、有约束压力辅助烧结：采用陶瓷薄板与牺牲层共同烧结法，可以控制烧结后基板的收缩率，保证导体图形和通孔的形状精度和位置精度。较小收缩率的基板具有极高的机械强度、抗冲击能力和良好的散热性,能够满足恶劣环境的需求。附图说明图1是本专利技术的传感器整体结构示意图；图2是本专利技术的金属模具示意图；图3是本专利技术的生瓷片纳米压印示意图；图4是本专利技术的感应线圈顶层结构示意图。具体实施方式下面结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。步骤1：预处理。将生瓷片放入净化间的烘干炉中进行预处理，烘干条件是80℃～100℃，时间20～30min。烘干时在生瓷片表面覆盖5mm厚的多孔不锈钢板，目的是避免生瓷片在排胶收缩时发生较大的变形，从而影响后续打孔、印刷等关键工艺的精度。步骤2：生瓷片打孔。采用机械冲压，钻孔或激光打孔技术形成通孔，以连接各层LTCC基片并形成导体回路。当通孔直径在100μm以上且批量不高时，采用激光打孔，调节激光功率和移动速度，利用聚焦的激光束将生瓷带上的材料逐层蒸发以形成通孔。此方法操作简单、效率高、经济性好，适合小批量打孔。当通孔直径小于100μm且批量比较大时，采用机械冲孔，制作一个与通孔直径匹配的冲头和冲模，这种方法打孔速度快，精度高，适于大批量生产。步骤3：通孔填充。LTCC基板通孔填充方法有两种，当通孔直径大于0.3mm时，通常采用丝网印刷法，其过程是制作具有一定目数的丝网，使金属浆料在刮板的作用下通过网孔均匀地沉积在通孔中。但当通孔直径低于0.3mm时，丝网印刷无法很好地满足要求，需要采用微孔填充机来完成通孔填充。通过配备专门注入工具，设置注入压力，注入时间，浆料粘度及填充孔的对准情况等参数，采用负压抽吸的方法，将一定粘度的金、银或铂浆料填充到通孔。填充后的生瓷片需要烘干处理，使孔内金属固化，烘干条件为60℃时烘20～30min。烘干后再用压平机压平。步骤4：金属模具制作。干法刻蚀：以金属(Al)片作为基体材料，在表面旋涂光刻胶，通过光刻显影得到光刻胶掩蔽层，在干法刻蚀机中刻蚀侧壁和基底垂直的型槽。湿法刻蚀：配置一定比例的磷酸、硝酸、醋酸和去离子水混合溶液，将溶液加热到60℃后喷洒到基体表面开始腐蚀Al，加工得到上窄下宽、具有4°脱模斜度的型槽。步骤5：纳米压印。将制成的金属模具在陶瓷基片上热压印出微通道，工艺参数是温度60℃，压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温电涡流位移传感器的制作方法，其特征在于，步骤如下：/n步骤1：预处理，使用和生瓷片尺寸相同的2～8mm厚的多孔金属极板压在生瓷片表面，在烘干炉中预处理，可以排出生瓷片的有机胶，限制收缩和防止褶皱变形；/n步骤2：打孔和填孔，使用激光打孔技术在生瓷片特定位置打通孔，然后在生瓷片背部涂金属浆料，通过真空负压吸附的方法将通孔填满浆料；/n步骤3：金属模具制作，以铝作为基体材料，利用掩膜版在基体表面干法刻蚀出垂直的侧壁，然后利用湿法刻蚀的各向同性，刻蚀出上窄下宽，具有1°～5°脱模斜度的型槽；/n步骤4：纳米压印，将制成的金属模具在低温共烧陶瓷基片上纳米压印得到微通道，利用去离子水处理后用惰性气体吹干表面；/n步骤5：金属图形化，在低温陶瓷表面旋涂5～30μm厚的感光金属浆料，利用掩膜版在表面光刻出线圈图形、经过显影液的显影和漂洗，烘干后冷却，得到线圈金属导体；/n步骤6：有约束压力辅助烧结，将层压后的多层基板胚体放入烧结炉中，采用陶瓷基板与牺牲层共同烧结法，控制烧结后基板的收缩率；/n步骤7：表面处理，为了防止高温下线圈表面被氧化，采用化学镀的方法在线圈表面镀金膜层，为避免线圈表面受挤压磨损发生断路，在顶层增加2～5层的空白陶瓷基体并层压烧结；/n步骤8：同轴电缆和电极连接，将线圈表面电极和高温同轴电缆连接的端面打磨平整，采用机械压接的方法固定，保证高温下的可靠性；/n步骤9：探头封装，高温陶瓷下壳体的凹槽固定线圈，上壳体通孔固定同轴电缆的位置，上下壳体通过螺栓连接，在壳体内部填充无机高温胶进行无缝隙封装，起到固定位置、抗氧化和抗腐蚀的作用。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高温电涡流位移传感器的制作方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：预处理，使用和生瓷片尺寸相同的2～8mm厚的多孔金属极板压在生瓷片表面，在烘干炉中预处理，可以排出生瓷片的有机胶，限制收缩和防止褶皱变形；
步骤2：打孔和填孔，使用激光打孔技术在生瓷片特定位置打通孔，然后在生瓷片背部涂金属浆料，通过真空负压吸附的方法将通孔填满浆料；
步骤3：金属模具制作，以铝作为基体材料，利用掩膜版在基体表面干法刻蚀出垂直的侧壁，然后利用湿法刻蚀的各向同性，刻蚀出上窄下宽，具有1°～5°脱模斜度的型槽；
步骤4：纳米压印，将制成的金属模具在低温共烧陶瓷基片上纳米压印得到微通道，利用去离子水处理后用惰性气体吹干表面；
步骤5：金属图形化，在低温陶瓷表面旋涂5～30μm厚的感光金...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟敬宇，崔得位，刘冲，李经民，丁来钱，刘济铭，万光勋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21