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壓力傳感器廠家

高溫壓力傳感器

一種制造高溫壓力傳感器很好的材料


發布日期:[2018-08-23]    作者:昊明壓力傳感器


氧化鋁陶瓷是一種很有前途的材料用于制造高溫壓力傳感器。在本文中,一種制作氧化鋁陶瓷敏感腔直接鍵合方法。氧化鋁陶瓷基板的粘合在一起,形成高溫高壓環境敏感腔。該設備可以檢測壓力參數在高溫下。為了驗證在高溫環境下的制造方法的靈敏度性能,一個電感和電容集成與制造敏感腔陶瓷基板形成無線無源LC壓力傳感器厚膜集成技術。最后,該傳感器是使用系統測試平臺測試。實驗結果表明,該傳感器可以實現壓力測量以上900°C,確認制作敏感腔具有優異的密封性能。因此,直接鍵合的方法有可能用于開發所有的陶瓷高溫壓力傳感器在惡劣環境中的應用。

1。簡介

最近,出現了一個實時、精確的需求的增加,在高溫環境下的現場壓力測量,如內燃機,地熱井,核反應堆,和空間。例如,用于戰斗機的噴氣發動機,溫度通常在800–1450°C [范圍],在火山熔巖的研究,通常表現出非牛頓流動狀態之間的800和1120°C 。傳統的壓力傳感器是基于硅或硅絕緣體技術,不能高于450°C ?;赟iC在惡劣環境中的應用壓力傳感器得到了廣泛的發展,并–4H SiC壓阻式壓力傳感器已可運行在高達800°C 。然而,他們的制作工藝不發達,硅和碳化硅襯底很貴。此外,壓力傳感器是基于壓阻效應,而不能用于無線無源高溫傳感器的應用。陶瓷是一個非常有前途的高溫傳感器材料由于其優異的電學、力學、化學性能,如強度、硬度、耐磨。最近,基于陶瓷的高溫壓力傳感器已被證明,但對這些傳感器的制備方法是復雜的,和傳感器性能差。例如,LC無源壓力傳感器是采用低溫共燒陶瓷或高溫共燒陶瓷技術(包括干燥、切割綠色帶、絲網印刷、復膜、切割、高溫燒結)。這些壓力傳感器的制作工藝有缺點,尤其是敏感腔的制備。敏感腔可以制作只有通過與碳膜和層壓用綠色膠帶填充,其制造工藝復雜。腔容易破碎或層壓和共同燒制過程中坍塌,從而降低成品傳感器產量。重要的是,制造工藝限制敏感腔結構的尺寸,從而影響傳感器的靈敏度特性。此外,敏感的容腔可以只使用一定的綠色磁帶制造(如杜邦951或鐵),并與收縮速度一樣銀導電漿料,這意味著在高溫環境下工作的傳感器不能
在這項研究中,我們開發了一個基于氧化鋁陶瓷高溫壓力傳感器應用敏感型腔的制作方法。這是在熱壓燒結制備環境氧化鋁陶瓷的直接結合,可用于大腔結構。電容和電感元件集成在制作敏感腔基于氧化鋁陶瓷采用厚膜集成技術的無源LC傳感器的制備。的無線無源LC壓力傳感器敏感腔的結構示圖1。最后,高溫、高壓測試平臺的建立,并對傳感器的壓力靈敏度的特點是在高溫環境下壓力的函數。因此,對制作的密封腔的靈敏度性能進行了驗證。
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圖1的無線無源LC壓力傳感器與敏感腔結構。(一)的三維結構設計原理圖;(B的橫截面視圖)的無源LC壓力傳感器。

2。實驗程序

因為敏感腔是無源LC壓力傳感器的核心,它的制作是非常重要的。完成對氧化鋁基電容元件的敏感腔的制作,我們使用了一個三層氧化鋁陶瓷基片。特別是本節所描述的實驗過程。

2.1。氧化鋁陶瓷板預處理

因為有一個表面是平整可能獲得最佳粘結陶瓷基板是很重要的。首先,三氧化鋁陶瓷層選取的敏感腔的制備。陶瓷板切成4厘米4厘米××0.2毫米,和性能表現表1。方腔被切斷,在陶瓷板中間的第二層,和腔體的尺寸約為2厘米,2厘米,0.2毫米××。然后,在基板的表面進行研磨和拋光以去除任何殘留的底物(如氧化薄膜)和瘢痕體質。研磨和拋光后,對氧化鋁陶瓷表面的油脂是利用超聲振動的方法除去。一個清潔的表面,使陶瓷基板更強的債券。然后,清洗后的氧化鋁陶瓷基板放入烘箱干燥。表面干燥后,陶瓷基板放置和層壓在一起,在設計階石墨夾,其中2層與腔的中間層,如圖所示圖2A.石墨夾,平坦的表面最好的結合形式。然后,層壓基板被放置在一個高溫高壓真空熱壓燒結,如圖2B.
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圖2(一)基于氧化鋁陶瓷敏感腔的制造工藝;(B熱壓爐;()C)的氧化鋁陶瓷專用連接過程。
表1陶瓷板的特性
Table

2.2。熱壓燒結

在制備完成后,熱壓爐加熱真空條件下形成的真空腔。對氧化鋁陶瓷的表面原子在熱壓燒結環境激活形成鍵的鍵合界面,實現在氧化鋁陶瓷的相互擴散。當溫度達到1500°C,樣品保持在熱20分鐘,使之受熱均勻、活性原子在表面的粘接。然后,結合樣品冷卻至室溫,在爐。確保材料之間良好的接觸,我們施加的壓力約5 MPa的鍵合過程中。熱壓燒結后,氧化鋁陶瓷基板貼合緊密,與氧化鋁陶瓷基敏感腔的形成。氧化鋁陶瓷的特殊連接過程中顯示圖2C.

2.3 .打薄

熱壓燒結后,制備的陶瓷基板與密封腔表面變薄減少敏感膜的厚度盡可能。首先,制備的陶瓷基板與密封腔是堅持到平板玻璃,用石蠟,將玻璃固定在拋光機由真空夾具細化研磨盤。最后,該敏感膜的厚度約為0.1毫米。

2.4?;馂暮蟮慕饘倩?

基于敏感腔的氧化鋁陶瓷制備后,證明壓力敏感性能,電氣元件均集成在壓力傳感器制作的敏感腔,如圖所示圖1的LC無源壓力傳感器的設計包括一個固定電感線圈和一個靈活的電容器。這些元素連接成串聯LC諧振電路,采用厚膜集成技術制作。為保證在高溫環境下的傳感器的穩定性,我們用鉑漿料的電氣性能組件的制造。如圖所示圖3首先,制作工藝所制作的陶瓷基板具有密封腔的預處理,其中的油脂是利用超聲振動的方法除去;下一步是制作電感元件和電容器的頂板,采用絲網印刷技術,然后這些干燥150°C 20分鐘;進一步,電容器的底板上集成傳感器的下表面;最后,絲網印刷燒結氧化鋁陶瓷基板是在高溫爐中總共約3小時的發射時間在1500°C峰值溫度允許PT油墨固化。頂部和底部的圖像傳感器圖像顯示圖4
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圖三制備氧化鋁陶瓷敏感腔火后金屬化。
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圖4圖像傳感器。頁:1一俯視圖;()B底視圖)

三.測量結果

圖5顯示傳感器的高溫壓敏原理。當空氣壓力在高溫應用的敏感腔的變化,傳感器的諧振頻率;這是由外部閱讀器天線的無線檢測。然后,在原位壓力信號通過傳感器和天線的電感元件的高溫環境下傳輸到室溫環境。
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圖5高溫壓力傳感器的原理。
如圖所示圖5等效阻抗Z情商)從閱讀器天線視可表述為[二十]:
ZEQ=J二問FlR【一 K二(F/FS)一?(F/FS)二 JF/(FSQ)]=F(FS)
(1)
哪里lR是讀者天線電感;K是耦合的閱讀器天線和傳感器之間的有效;Q是品質因數的測量;F是激勵頻率;和FS是傳感器的諧振頻率,可表示如下:
FS=一/(二問lSCS?????√)=F(CS)
(二)
哪里lS和CS在傳感器的電感和電容,分別。然后,電容CS可以表示如下[十五]:
CS≈e零一二TG (二TM/eR)?雙曲正切?一((三P一四(一?v二))/(十六E(TM)三(TG (二TM/eR)))?????????????????????????????????√)(三P一四(一?v二))/(十六E(TM)三(TG (二TM/eR)))?????????????????????????????????√=F(P)
(3)
哪里e零和eR是真空介電常數和氧化鋁陶瓷的相對介電常數;一表示電容極板的長度,n代表泊松比;TG和TM代表腔厚度與敏感膜片的厚度,分別;和P在敏感膜片施加的壓力。
探討在高溫環境下的腔內壓力敏感性的特點,所制作的傳感器的靈敏度,使用高溫壓力測量系統包含一個高溫壓力罐測量高溫壓力的函數,一個E4991A阻抗分析儀,和溫度–壓力控制儀表,如圖6。傳感器和天線相隔1厘米的保溫結構,這是放置在高溫壓力罐。的阻抗分析儀可以從E4991A測試天線獲得阻抗相位及諧振頻率的無線讀出。溫度–壓力控制儀可以準確地控制溫度和高溫壓力罐壓力和高溫壓力罐可提供溫度–壓力環境與900°C最高溫度和最大壓力3 bar。
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圖6該測量系統平臺側視圖。
研究高溫下制備的腔的敏感性特征,罐內壓力變化在0.20和2.80桿之間的600以上°C.改變傳感器的諧振頻率在不同的溫度和壓力都施加在傳感器上顯示圖7。此外,在圖7,我們可以看到傳感器隨壓力和溫度的增加,共振頻率。
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圖7傳感器的諧振頻率為壓力和溫度的函數。
圖8顯示幾個測量結果在900°C.傳感器的諧振頻率分別約為27.25和26.60兆赫的0和2.60條的壓力方面的傳感器,分別。如圖所示圖8,該傳感器的諧振頻率直線下降,在900°C施加的壓力增加,和壓力傳感器的靈敏度僅為約?0.25兆赫/酒吧。該傳感器的滯后誤差和重復性誤差分別為9.3和13左右,作為一個功能的壓力在900°C.這些測量結果表明該傳感器腔是密封的,它可以提高靈敏度在高溫環境下的壓力,這壓力傳感器敏感腔的制造方法可以應用在高溫環境下的現場壓力測量。
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圖8諧振頻率的傳感器作為壓力的函數,在900°C.

4 .2 .結論

我們描述了一種基于氧化鋁陶瓷壓敏型腔的制作方法,可用于高溫壓力傳感器的制作。該方法具有操作簡單,一次成型率高,方便使用。在熱壓燒結制備氧化鋁陶瓷直接鍵合環境是敏感的腔,和無線無源LC高溫壓力傳感器的基礎上制作的敏感腔采用厚膜集成技術制作。實驗結果表明,該傳感器可在高溫環境下的壓力測量和現場進行了?0.25兆赫/酒吧好壓力靈敏度在900°C。因此,這是一個很有前途的高溫環境下的壓力測量傳感器。本研究可為氧化鋁陶瓷高溫壓力傳感器的制作提供了有益的參考,為高溫氧化鋁陶瓷傳感器密封腔的制造新工藝。




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