基于非共燒技術(shù)的高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)*

戴蕭嫣, 楊明亮

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

?

基于非共燒技術(shù)的高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)*

戴蕭嫣1, 楊明亮2,3

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

摘要:設(shè)計(jì)一種基于氧化鋯(ZrO2)的高溫非共燒陶瓷壓力傳感器。在已有的低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝的基礎(chǔ)上，經(jīng)過改進(jìn)采用了高溫非共燒技術(shù)進(jìn)行陶瓷傳感器的制作。先進(jìn)行傳感器基底的制作，再制作傳感器的金屬電路部分。這樣解決了高溫共燒技術(shù)中各材料高溫?zé)Y(jié)熱膨脹系數(shù)不匹配的問題。傳感器信號(hào)讀取采用兩個(gè)電感耦合的方式，實(shí)現(xiàn)了非接觸壓力測量。制作的傳感器高溫環(huán)境下力學(xué)特性穩(wěn)定。測試結(jié)果顯示：傳感器的諧振頻率隨外加壓力的增加而減小，其諧振頻率變化對(duì)壓力的響應(yīng)靈敏度約為491.10 kHz/bar。

關(guān)鍵詞：氧化鋯; 非共燒; 傳感器; 電容器; 頻率

0引言

航空航天等領(lǐng)域中的一些特殊環(huán)境屬于高溫環(huán)境(通常大于500 ℃以上)，檢測壓力的傳感器中電連接所用金屬引線是良熱導(dǎo)體[1～3]，引線傳熱會(huì)使電源、信號(hào)電路的溫度升高，導(dǎo)致測試系統(tǒng)迅速失效，金屬引線在高溫下應(yīng)用具有局限性[4]?；诘蜏毓矡沾?LTCC)的壓力傳感器已經(jīng)得到深入的研究，它可在400～500 ℃范圍內(nèi)工作，但其工作時(shí)間都不能太久，工作溫度也還是有一定的局限[5，6]。同時(shí)由于低溫共燒陶瓷在經(jīng)歷高溫排膠等燒結(jié)過程之后，低溫共燒陶瓷硬度極高，脆性較大，彈性較差[7，8]。氧化鋯(ZrO2)的高溫陶瓷可以來克服這些問題，高溫陶瓷因其成分中含有部分功能性添加劑(如氧化鈣、氧化釔等)，導(dǎo)致其部分特性發(fā)生了改變，使得氧化鋯高溫陶瓷韌度增強(qiáng)，因此，高溫下力學(xué)特性也更加穩(wěn)定。

本設(shè)計(jì)中，選用高溫陶瓷制作壓力傳感器，高溫陶瓷的主要成分為ZrO2。制作傳感器時(shí)使用非共燒技術(shù)，先燒結(jié)傳感器基底，再燒結(jié)金屬導(dǎo)電層，這樣可以解決高溫共燒技術(shù)中各材料高溫?zé)Y(jié)熱膨脹系數(shù)不匹配的問題。測試壓力信號(hào)時(shí)，采用LC諧振原理，實(shí)現(xiàn)了惡劣環(huán)境下的非接觸測量，預(yù)期能實(shí)現(xiàn)測量600 ℃溫度下的壓力測量，繼續(xù)工作時(shí)間長達(dá)20 min。

1傳感器測試原理

非接觸測量高溫壓力傳感器原理示意圖如圖1(a)所示。傳感器電路由壓力相關(guān)的可變電容器和電感線圈形成LC回路。在外界壓力的作用下，電容的極板間距發(fā)生變化，引起電容的大小發(fā)生變化，則LC回路的諧振頻率f也發(fā)生改變，因此，通過耦合線圈檢測LC回路諧振頻率的變化，就可以獲得所測傳感器的壓力大小。

ZrO2高溫陶瓷壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，它是一種用于感知壓力變化的感壓陶瓷件，由三層陶瓷片組成。頂層和底層為壓力敏感層，上層印刷有電容器上極板和電感，下層印有電容器下極板，通過傳感器邊界的金屬連成LC通路。中間層的中心位置鏤空一個(gè)正方形形成可變電容器空腔結(jié)構(gòu)，其截面圖如圖1(b)所示。

圖1　壓力測試原理與傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Diagrams of pressure test principle andsensor structure

2非共燒陶瓷工藝

傳感器加工中，采用高溫共燒陶瓷工藝與低溫共燒陶瓷工藝相結(jié)合，采用非共燒工藝方法，突破以往共燒陶瓷存在的弊端，具體工藝方法如圖2。

傳感器加工工藝步驟描述如下：生瓷片打孔→通孔填充、空腔填充→疊片→層壓→高溫多步燒結(jié)→印刷電感與電極板→再低溫?zé)Y(jié)→最終測試。

具體是：通過截片將帶狀的ZrO2陶瓷片截成需要的大小生瓷片(8 in(1 in=2.54 cm))，通過打孔工藝操作對(duì)中間層瓷片打孔形成電容器空腔。中間層打孔后，按對(duì)位標(biāo)記進(jìn)行對(duì)位，將中間層與底層并疊片到一起，然后在需要形成空腔的位置填充一種有機(jī)物(這種有機(jī)物能在500 ℃溫度下?lián)]化)。再與頂層對(duì)位疊片，然后把疊片好的三層結(jié)構(gòu)壓在兩個(gè)金屬鋼板之間, 并真空包裝在密封袋內(nèi)，在15 MPa水壓、75 ℃條件下進(jìn)行層壓25 min，取出后在70℃溫度條件下進(jìn)行熱切成單元結(jié)構(gòu)。把得到的每個(gè)單元結(jié)構(gòu)布放在高溫陶瓷承燒板之上，并在其瓷片上再壓一個(gè)平整的高溫陶瓷承燒板(以防瓷片在燒結(jié)軟化時(shí)彎曲變形)，然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中按高溫瓷工藝曲線燒結(jié)約11 h，進(jìn)行降溫冷卻。在燒結(jié)爐內(nèi)取出燒結(jié)后的傳感器后，再按網(wǎng)板圖形絲網(wǎng)印刷電感和電容金屬圖形在單元傳感器瓷片的上下層表面上，其印刷主要材料以Ag漿料為主，然后再按低溫瓷工藝燒結(jié)電感和電容層，燒結(jié)完畢，取出進(jìn)行密封性能測試。

圖2　非共燒工藝步驟簡圖Fig 2　Process diagram of no-co-fired technology

傳感器樣品所圖3所示。

圖3　傳感器實(shí)物照片F(xiàn)ig 3　Physical map of sensor

3傳感器測試

為進(jìn)行一定壓力下的傳感器頻率測量，利用Agilent 阻抗分析儀、壓力罐、壓力控制裝置、氮?dú)夤艽罱顺貕毫y試平臺(tái)，如圖4所示。測試時(shí)，為檢查電容腔的完整性，先進(jìn)行氣密性檢查。將傳感器至于壓力罐中，氣壓加到0.5 MPa，頻率穩(wěn)定后，靜止5 min，如果傳感器頻率不變，說明傳感器電容空腔完整，可以進(jìn)行壓力測試。如果頻率由穩(wěn)定變大，則電容腔漏氣，不能測量。傳感器的測試結(jié)果如圖5所示，在0～1.2 bar氣壓范圍內(nèi)，傳感器靈敏度為其諧振頻率變化對(duì)壓力的響應(yīng)靈敏度約為491.10 kHz/bar。

圖4　傳感器壓力測試系統(tǒng)Fig 4　Pressure test system of sensor

圖5　傳感器壓力—頻率測試曲線Fig 5　Pressure—frequency test curve of sensor

用一臺(tái)密閉的波萊曼燒結(jié)爐、E5061網(wǎng)絡(luò)分析儀等搭建高溫測試平臺(tái)，如圖6所示。使用高溫測試平臺(tái)對(duì)高溫壓力傳感器樣品進(jìn)行了從室溫至600 ℃高溫的高溫測試。為防止高溫測試中天線受熱融化，測試中利用高溫導(dǎo)線繞制天線，將傳感器置于天線中心位置之上放置在燒結(jié)爐中。測試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的傳感器能工作到600 ℃。傳感器諧振頻率—溫度特性曲線如圖7所示。

圖6　溫度測試平臺(tái)Fig 6　Temperature test platform

圖7　傳感器諧振頻率—溫度特性曲線Fig 7　Resonant frequency—temperature characteristics curve of sensor

4結(jié)論

本文利用ZrO2陶瓷制作的電容式高溫壓力傳感器，經(jīng)測試，傳感器氣密性良好。常溫壓力測試時(shí)，諧振頻率隨著壓力增大而減小，響應(yīng)靈敏度為491.10 kHz/bar。

本文所研究的ZrO2高溫壓力傳感器在實(shí)現(xiàn)對(duì)外界壓力信號(hào)的準(zhǔn)確測試時(shí)，將壓力信號(hào)以無線電磁波的形式向外傳送，這樣就不存在引線過熱引起的影響信號(hào)的問題，使得傳感器可以應(yīng)用在高溫惡劣環(huán)境下。

參考文獻(xiàn):

[1]Yoshihiko Imakana．Multilayered low temperature co-fired ceramics(LTCC)technology[M]．New York:Springer Science，2004:5-10.

[2]Zhao Y L,Zhao L B,Jiang Z D.High temperature and frequency pressure sensor based on silicon-on-insulator layers[J].Measurement Science Technology,2006,17:519-523.

[3]Zhao Yulong,Zhao Libo,Jiang Zhuangde.A novel high temperature pressure sensor on the basis of SOI layers[J].Sensors and Actuators,2003,108:108-111.

[4]Fonseca M A,English J M,Arx M V,et al.Wireless microma-chined ceramic pressure sensor for high-temperature application-s[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2002,11(4):337-343.

[5]Matthias Ralf Werner,Wolfgang R Fahrner.Review on materials microsensors systems and devices for high-temperature and harsh-environment application[J].IEEE Transaction on Electronics,2001,48(2):249 -257.

[6]Tan Qiulin,Kang Hao,Xiong Jijun,et al.A wireless passive pressure microsensor fabricated in HTCC MEMS technology for harsh environments[J].Sensors,2013,13:9896-9908.

[7]Xiong Jijun,Zheng Shijun,Hong Yingping,et al.Measurement of wireless pressure sensors fabricated in high temperature co-fired ceramic MEMS technology[J].Zhejiang University:Science C,2013,14:258-263.

[8]Xiong Jijun,Li Ying,Hong Yingping,et al.Wireless LTCC-based capacitive pressure sensor for harsh environment[J].Sensors and Actuators A,2013,197:30-37.

Design of high temperature pressure sensor based on no-co-fired technology*

DAI Xiao-yan1, YANG Ming-liang2,3

(1.College of Instruments and Electronic,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 3.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Abstract:A high temperature no-co-fired ceramic pressure sensor based on Zirconia (ZrO2) is designed．Based on the existing low temperature co-fired ceramic(LTCC)process,the improved high-temperature no-co-fired technology is used to fabricate ceramic sensor.That is to say that the sensor substrate is firstly fabricated,and then the metallic circuit of the sensor is realized.The proposed method solves the problems of thermal expansion coefficient mismatch of high-temperature sintering materials.Read-out of sensor signals use two inductive coupling methods,which enables non-contact pressure measurement.The fabricated sensor has pretty stable mechanical properties under high temperatures.The results show that the resonance frequency of sensor decreases with the increase of pressure,its response sensitivity of the resonance frequency to pressure is about 491.10 kHz/bar．

Key words:zirconia (ZrO2); no-co-fired; sensor; capacitor; frequency

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0094—03

收稿日期：2015—03—15

*基金項(xiàng)目：2014年研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(20143085)； 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471324)

中圖分類號(hào)：TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0094—03

作者簡介:

戴蕭嫣(1981-), 女，江蘇常熟人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闊o線無源高溫壓力傳感器、武器系統(tǒng)智能化。