一種近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及超高溫傳感領(lǐng)域，具體涉及一種近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]超高溫(> 500°C )傳感是監(jiān)控、探測和維護(hù)渦輪、噴氣、沖壓等發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及其工作過程所特別需要發(fā)展的信息技術(shù)和制造能力之一。這些場合存在極端高溫，大型發(fā)動機(jī)如渦輪發(fā)動機(jī)、沖力發(fā)動機(jī)工作溫度均在1300°C以上，有些場合甚至高達(dá)2000°C。這些系統(tǒng)在使用時(shí)除了極端高溫，還存在巨大壓力，壓力值甚至高達(dá)20Mpa。壓力在發(fā)動機(jī)內(nèi)部和機(jī)殼上非均勻分布，與位置、進(jìn)氣速度等緊密相關(guān)。實(shí)時(shí)全面的了解發(fā)動機(jī)內(nèi)部和機(jī)殼的溫度、壓力信息是設(shè)計(jì)、制造高性能發(fā)動機(jī)的前提，這就要求儀器與測試技術(shù)行業(yè)提供相應(yīng)的耐超高溫的溫度和壓力傳感器件與系統(tǒng)。
[0003]在超高溫環(huán)境中，現(xiàn)有基于電子信號的有源器件無法工作。硅基半導(dǎo)體在溫度超過400°C時(shí)即不正常工作；在極高溫度下傳感器件甚至發(fā)生氧化、燒焦等失效情況；同時(shí)導(dǎo)線與器件連接線在高溫下性能退化，因此其信號的傳輸成為超高溫傳感器工作的關(guān)鍵問題之一。另外超高溫環(huán)境下電源耐高溫、電源更換、維護(hù)將是一件極為艱難的任務(wù)。因此現(xiàn)在在超高溫等惡劣環(huán)境中均采用無線無源傳感技術(shù)。
[0004]針對超高溫環(huán)境的惡劣生存條件，一些研宄者和實(shí)用新型人提出了采用基于LC諧振互感耦合理論的無線無源壓力傳感器，該壓力傳感器由電感線圈和電容壓力敏感頭構(gòu)成的LC振蕩回路組成。其工作原理是:當(dāng)敏感頭受到外界壓力時(shí)，電容變化導(dǎo)致LC電路的諧振頻率改變，從而將壓力大小的變化轉(zhuǎn)化為諧振頻率的變化，利用壓力敏感頭自身電感線圈耦合一定距離之外的電感天線，最后對天線接收到的信號進(jìn)行檢測并解耦分析，即可得出遠(yuǎn)端敏感結(jié)構(gòu)上的壓力值大小。然而此種無線無源壓力傳感器存在傳感距離短、信號損失大(品質(zhì)因數(shù)Q低)等問題，因此目前有人提出采用微波諧振腔式無線無源傳感技術(shù)解決超高溫惡劣環(huán)境下的壓力探測問題。微波諧振腔式無線無源壓力傳感器相對于LC諧振互感耦合式無線無源壓力傳感器，具有傳感距離大、信號損失低的優(yōu)勢。微波諧振腔式無線無源壓力傳感器在超高溫環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，通常以通常以耐高溫陶瓷為核心材料制成空腔、再在其內(nèi)壁上涂覆耐高溫金屬薄層形成諧振腔，此諧振腔在壓力環(huán)境中時(shí)，腔蓋(一般較薄)將變形，從而導(dǎo)致整個諧振腔的諧振頻率變化，因此通過在其上耦合天線將采集到的諧振頻率變化信息發(fā)射出去，接收裝置接收該諧振頻率變化信息并解耦分析即可獲得腔所處環(huán)境的壓力，此即微波諧振腔式無線無源壓力傳感器基本構(gòu)成和工作原理。然而在陶瓷腔側(cè)壁上涂覆金屬很難，特別是微陶瓷腔(如傳感器的微腔多在幾十微米至數(shù)毫米大小之間)上側(cè)壁小，非常不利于側(cè)壁涂覆加工。同時(shí)因?yàn)樘沾汕粌?nèi)四壁都涂上金屬時(shí)，腔內(nèi)壁轉(zhuǎn)角、折彎及形狀突變處，金屬涂層的應(yīng)力非常大，這些地方是金屬涂層與陶瓷粘接的薄弱處，極易造成金屬涂層開裂、剝落，嚴(yán)重影響器件的可靠性?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為避免并徹底解決目前金屬涂層/高溫陶瓷諧振腔無線無源超高溫壓力傳感器帶來的上述加工問題和后續(xù)使用可靠性問題，本實(shí)用新型提供了一種近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:
[0007]近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，所述傳感器由近場耦合力敏結(jié)構(gòu)、耐高溫波導(dǎo)和耐高溫天線構(gòu)成，所述近場耦合力敏結(jié)構(gòu)由平面諧振器、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成，所述介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成力敏膜，平面諧振器、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層之間使用的空心耐高溫筒體隔開，介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層、空心耐高溫筒體、平面諧振器三者密封成一體，所述耐高溫天線通過耐高溫波導(dǎo)與所述平面諧振器連接。
[0008]作為優(yōu)選，所述耐高溫天線由耐高溫陶瓷與耐高溫金屬構(gòu)成。
[0009]作為優(yōu)選，所述耐高溫天線為微帶天線、振子天線或其衍生天線中的一種。
[0010]作為優(yōu)選，所述耐高溫波導(dǎo)為耐高溫金屬構(gòu)成的同軸線或者矩形、圓形、異形空心波導(dǎo)中的一種。
[0011]作為優(yōu)選，所述耐高溫波導(dǎo)為耐高溫陶瓷與耐高溫金屬構(gòu)成微帶傳輸線、帶狀線、共面波導(dǎo)或者基片集成波導(dǎo)中的一種。
[0012]本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0013]I)以近場耦合理論作為壓力信號、電磁場耦合依據(jù)設(shè)計(jì)力敏結(jié)構(gòu)，極大的減少了傳感器體積和壓力信號、電磁場耦合靈敏度；
[0014]2)基于近場耦合理論的近場耦合力敏結(jié)構(gòu)無需側(cè)壁涂覆金屬，降低了加工難度，避免了腔內(nèi)壁轉(zhuǎn)角、折彎及形狀突變處金屬涂覆，保證了金屬涂層與基片粘接可靠性，進(jìn)而保證本超高溫壓力傳感器可靠性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器整體封裝圖。
[0016]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器整體的橫截面圖。
[0017]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器整體的裝配圖。
[0018]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中力敏膜圖。
[0019]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例中平面諧振器圖。
[0020]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中耐高溫筒體圖。
[0021]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中基底圖。
[0022]圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例中耐高溫天線圖。
[0023]圖中，1-力敏膜；2_平面諧振器；3_耐高溫筒體；4_耐高溫波導(dǎo)；5_耐高溫天線
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本實(shí)用新型的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0025]如圖1-8所示，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，所述傳感器由近場耦合力敏結(jié)構(gòu)、耐高溫波導(dǎo)4和耐高溫天線5構(gòu)成，所述近場耦合力敏結(jié)構(gòu)由平面諧振器2、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成，所述介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成力敏膜1，平面諧振器2、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層之間使用的空心耐高溫筒體3隔開，介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層、空心耐高溫筒體3、平面諧振器2三者密封成一體，所述耐高溫天線5通過耐高溫波導(dǎo)4與所述平面諧振器2連接。
[0026]所述耐高溫天線5由耐高溫陶瓷與耐高溫金屬構(gòu)成。
[0027]所述耐高溫天線5為微帶天線、振子天線或其衍生天線中的一種。
[0028]所述耐高溫波導(dǎo)4為耐高溫金屬構(gòu)成的同軸線或者矩形、圓形、異形空心波導(dǎo)中的一種。
[0029]所述耐高溫波導(dǎo)4為耐高溫陶瓷與耐高溫金屬構(gòu)成微帶傳輸線、帶狀線、共面波導(dǎo)或者基片集成波導(dǎo)中的一種。
[0030]本具體實(shí)施設(shè)計(jì)采用基于近場耦合原理的新諧振腔結(jié)構(gòu)，以距離很近的介質(zhì)層或金屬層與平面諧振器構(gòu)成近場耦合結(jié)構(gòu)作為本超高溫壓力傳感器的力敏結(jié)構(gòu)。所述平面諧振器很近的空間里存在電磁倏逝場，極易受到外部擾動，可作為感受外界變化的靈敏探針。因此當(dāng)所述近場耦合結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層或金屬層受到外部氣壓或者力作用時(shí)，發(fā)生變形，改變了介質(zhì)層或金屬層與平面諧振器之間的距離，使介質(zhì)層或金屬層與平面諧振器之間的電磁場、倏逝場發(fā)生重排，進(jìn)而影響平面諧振器的諧振頻率和輻射效率。再在平面諧振器側(cè)面連接一個耐高溫天線或者下部復(fù)合一個耐高溫天線作為所述力敏結(jié)構(gòu)的信號傳輸單元，即可無線發(fā)送、傳輸力敏結(jié)構(gòu)敏感到的因壓力變化導(dǎo)致的平面諧振器諧振頻率變化和輻射效率變化，分析平面諧振器諧振頻率變化和輻射效率變化即可得到壓力變化信息。所述平面諧振器以特定結(jié)構(gòu)耐高溫金屬涂覆在耐高溫基片上制成，減少了目前公開報(bào)道的金屬涂覆陶瓷腔力敏結(jié)構(gòu)的加工難度；避免了腔內(nèi)壁轉(zhuǎn)角、折彎及形狀突變處金屬涂覆，保證了金屬涂層與基片粘接可靠性，進(jìn)而保證本超高溫壓力傳感器可靠性。
[0031]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，其特征在于，所述傳感器由近場耦合力敏結(jié)構(gòu)、耐高溫波導(dǎo)和耐高溫天線構(gòu)成，所述近場耦合力敏結(jié)構(gòu)由平面諧振器、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成，所述介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成力敏膜，平面諧振器、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層之間使用的空心耐高溫筒體隔開，介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層、空心耐高溫筒體、平面諧振器三者密封成一體，所述耐高溫天線通過耐高溫波導(dǎo)與所述平面諧振器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，其特征在于，所述耐高溫天線由耐高溫陶瓷與耐高溫金屬構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，其特征在于，所述耐高溫天線為微帶天線、振子天線或其衍生天線中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，其特征在于，所述耐高溫波導(dǎo)為耐高溫金屬構(gòu)成的同軸線或者矩形、圓形、異形空心波導(dǎo)中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，其特征在于，所述耐高溫波導(dǎo)為耐高溫陶瓷與耐高溫金屬構(gòu)成微帶傳輸線、帶狀線、共面波導(dǎo)或者基片集成波導(dǎo)中的一種。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種近場耦合無線無源超高溫壓力傳感器，所述傳感器由近場耦合力敏結(jié)構(gòu)、耐高溫波導(dǎo)和耐高溫天線構(gòu)成，所述近場耦合力敏結(jié)構(gòu)由平面諧振器、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成，所述介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層構(gòu)成力敏膜，平面諧振器、介質(zhì)層或金屬與介質(zhì)復(fù)合層之間使用的空心耐高溫筒體隔開。本實(shí)用新型以近場耦合理論作為壓力信號、電磁場耦合依據(jù)設(shè)計(jì)力敏結(jié)構(gòu)，極大的減少了傳感器體積和壓力信號、電磁場耦合靈敏度；基于近場耦合理論的近場耦合力敏結(jié)構(gòu)無需側(cè)壁涂覆金屬，降低了加工難度，避免了腔內(nèi)壁轉(zhuǎn)角、折彎及形狀突變處金屬涂覆，保證了金屬涂層與基片粘接可靠性，進(jìn)而保證本超高溫壓力傳感器可靠性。
【IPC分類】G01L1-14
【公開號】CN204594601
【申請?zhí)枴緾N201520312985
【發(fā)明人】陳曉勇, 李晨, 熊繼軍, 丑修建, 劉俊, 賈平崗, 譚秋林, 梁庭, 洪應(yīng)平, 穆繼亮, 安坤
【申請人】中北大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月15日