基于陶瓷的無線無源高溫壓力與溫度傳感器的設計、制備及測試.pdf

1、在航空航天等領域,飛行器載入大氣層時,由于高速劇烈摩擦飛行器體表溫度可高達1000℃,甚至更高,其高速運動時氣動力學環(huán)境與飛行器飛行姿態(tài)控制密切相關,因此完成飛行器表面高溫環(huán)境下的壓力參量動態(tài)實時監(jiān)測必不可少,同時這種需求對現有測試技術提出了嚴峻考驗。另外,在高溫環(huán)境下壓力與溫度參數相輔相成,因此它們實時準確獲取,對精確控制系統(tǒng)性能并保證其運行安全以及工作環(huán)境分析都具有重要意義。
　　本論文通過介紹電磁耦合原理以及信號的無線提取方

2、法,提出基于陶瓷材料的非接觸式無線無源高溫壓力與溫度傳感器,不僅解決了高溫環(huán)境下基于硅材料制備的傳統(tǒng)傳感器材料彈性性能特性退化無法獲取壓力和溫度參數的問題,而且解決了傳感器金屬引線在高溫下無法向環(huán)境散熱,導致電源、電路的溫度升高,測試系統(tǒng)迅速失效的難題。
　　高溫壓力傳感器選取高溫氧化鋯生瓷片材料,采用高溫瓷工藝與低溫瓷工藝相結合,多步燒結的非共燒技術制備電容腔式壓敏LC結構(高溫區(qū)域),解決各材料燒結過程中熱膨脹系數不匹配的問題

3、,增加填充犧牲層工藝,極大程度上改進了密閉微型空腔的腔平整度,提升了傳感器靈敏度,更好地實現高溫區(qū)域的壓力測量。溫度傳感器以LTCC材料為基底,選取對溫度敏感的高居里點鐵電陶瓷作為介質材料,采用低溫瓷工藝制備電容腔式溫敏LC結構,同樣加入犧牲層填充工藝。具體的研究內容有以下幾個方面:
　　1.首先進行了詳細的理論基礎分析,非共燒電容式高溫壓力傳感器理論核心在于:外界壓力的作用使傳感器電容空腔的極板間距變小,導致電容值改變,從而引起

4、諧振頻率的變化;鐵電陶瓷溫度傳感器的理論核心在于鐵電陶瓷這種材料對溫度敏感,當外界溫度發(fā)生變化時其介電常數改變,導致電容值改變,從而引起諧振頻率的變化,這兩種參數都是通過諧振頻率的變化來獲取信號參數。
　　2.在非共燒高溫壓力傳感器方面,根據LC諧振原理以及射頻信號的無線無源檢測理論,分析傳感器在壓力作用下的電容變化;設計出高溫壓力傳感器的結構模型并計算其設計參數;采用高溫瓷工藝與低溫瓷工藝相結合、多部燒結的非共燒工藝制備出樣品;

5、搭建了常溫和高溫均勻壓力測試平臺,并進行相應測試以及結果分析。
　　3.在鐵電陶瓷溫度傳感器方面,基于LC諧振原理介紹了陶瓷材料的非共燒無線無源溫度傳感器的設計理念,并設計出其結構模型與設計參數;詳細介紹了低溫瓷工藝制備流程;在室溫到700℃的溫度環(huán)境下進行了3次性能測試并對結果進行詳細分析。
　　本文中非共燒陶瓷高溫壓力傳感器與鐵電陶瓷溫度傳感器都以LC諧振電路為設計核心,電容值的改變?yōu)槔碚撘罁?分別采用非共燒工藝與LTC