高温压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压力传感器的
，具体涉及一种。
技术介绍
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.。
技术实现思路
本专利技术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，其可工作在在400 °C以上且无需提供电源。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术通过对生瓷片打孔、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。本专利技术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
具有重要的实用价值。附图说明图1为本专利技术的结构示意图， 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专利技术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，打孔时将生瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：