基于陶瓷的无线无源高温压力与温度传感器的设计、制备及测试

【摘要】在航空航天等领域,飞行器载入大气层时，由于高速剧烈摩擦飞行器体表温度可高达1000℃，甚至更高，其高速运动时气动力学环境与飞行器飞行姿态控制密切相关，因此完成飞行器表面高温环境下的压力参量动态实时监测必不可少，同时这种需求对现有测试技术提出了严峻考验。另外，在高温环境下压力与温度参数相辅相成，因此它们实时准确获取，对精确控制系统性能并保证其运行安全以及工作环境分析都具有重要意义。本论文通过介绍电磁耦合原理以及信号的无线提取方法，提出基于陶瓷材料的非接触式无线无源高温压力与温度传感器，不仅解决了高温环境下基于硅材料制备的传统传感器材料弹性性能特性退化无法获取压力和温度参数的问题，而且解决了传感器金属引线在高温下无法向环境散热，导致电源、电路的温度升高，测试系统迅速失效的难题。高温压力传感器选取高温氧化锆生瓷片材料，采用高温瓷工艺与低温瓷工艺相结合，多步烧结的非共烧技术制备电容腔式压敏LC结构（高温区域），解决各材料烧结过程中热膨胀系数不匹配的问题，增加填充牺牲层工艺，极大程度上改进了密闭微型空腔的腔平整度，提升了传感器灵敏度，更好地实现高温区域的压力测量。温度传感器以LTCC材料为基底，选取对温度敏感的高居里点铁电陶瓷作为介质材料，采用低温瓷工艺制备电容腔式温敏LC结构，同样加入牺牲层填充工艺。具体的研究内容有以下几个方面：1.首先进行了详细的理论基础分析，非共烧电容式高温压力传感器理论核心在于：外界压力的作用使传感器电容空腔的极板间距变小，导致电容值改变，从而引起谐振频率的变化；铁电陶瓷温度传感器的理论核心在于铁电陶瓷这种材料对温度敏感，当外界温度发生变化时其介电常数改变，导致电容值改变，从而引起谐振频率的变化，这两种参数都是通过谐振频率的变化来获取信号参数。2.在非共烧高温压力传感器方面，根据LC谐振原理以及射频信号的无线无源检测理论，分析传感器在压力作用下的电容变化；设计出高温压力传感器的结构模型并计算其设计参数；采用高温瓷工艺与低温瓷工艺相结合、多部烧结的非共烧工艺制备出样品；搭建了常温和高温均匀压力测试平台，并进行相应测试以及结果分析。3.在铁电陶瓷温度传感器方面，基于LC谐振原理介绍了陶瓷材料的非共烧无线无源温度传感器的设计理念，并设计出其结构模型与设计参数；详细介绍了低温瓷工艺制备流程；在室温到700℃的温度环境下进行了3次性能测试并对结果进行详细分析。本文中非共烧陶瓷高温压力传感器与铁电陶瓷温度传感器都以LC谐振电路为设计核心，电容值的改变为理论依据，分别采用非共烧工艺与LTCC技术实现压力与温度的测试，其中温度测试可作为高温等恶劣环境下压力测试的温度补偿。
【作者】丁利琼；
【导师】谭秋林；
【作者基本信息】中北大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】非共烧技术；铁电陶瓷；无线无源；电容腔式LC结构；陶瓷材料；

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