基于非共烧技术的高温压力传感器设计*

戴萧嫣, 杨明亮

(1.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；3.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)



基于非共烧技术的高温压力传感器设计*

戴萧嫣1, 杨明亮2,3

(1.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；3.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

摘要:设计一种基于氧化锆(ZrO2)的高温非共烧陶瓷压力传感器。在已有的低温共烧陶瓷(LTCC)工艺的基础上，经过改进采用了高温非共烧技术进行陶瓷传感器的制作。先进行传感器基底的制作，再制作传感器的金属电路部分。这样解决了高温共烧技术中各材料高温烧结热膨胀系数不匹配的问题。传感器信号读取采用两个电感耦合的方式，实现了非接触压力测量。制作的传感器高温环境下力学特性稳定。测试结果显示：传感器的谐振频率随外加压力的增加而减小，其谐振频率变化对压力的响应灵敏度约为491.10 kHz/bar。

关键词：氧化锆; 非共烧; 传感器; 电容器; 频率

0引言

航空航天等领域中的一些特殊环境属于高温环境(通常大于500 ℃以上)，检测压力的传感器中电连接所用金属引线是良热导体[1～3]，引线传热会使电源、信号电路的温度升高，导致测试系统迅速失效，金属引线在高温下应用具有局限性[4]。基于低温共烧陶瓷(LTCC)的压力传感器已经得到深入的研究，它可在400～500 ℃范围内工作，但其工作时间都不能太久，工作温度也还是有一定的局限[5，6]。同时由于低温共烧陶瓷在经历高温排胶等烧结过程之后，低温共烧陶瓷硬度极高，脆性较大，弹性较差[7，8]。氧化锆(ZrO2)的高温陶瓷可以来克服这些问题，高温陶瓷因其成分中含有部分功能性添加剂(如氧化钙、氧化钇等)，导致其部分特性发生了改变，使得氧化锆高温陶瓷韧度增强，因此，高温下力学特性也更加稳定。

本设计中，选用高温陶瓷制作压力传感器，高温陶瓷的主要成分为ZrO2。制作传感器时使用非共烧技术，先烧结传感器基底，再烧结金属导电层，这样可以解决高温共烧技术中各材料高温烧结热膨胀系数不匹配的问题。测试压力信号时，采用LC谐振原理，实现了恶劣环境下的非接触测量，预期能实现测量600 ℃温度下的压力测量，继续工作时间长达20 min。

1传感器测试原理

非接触测量高温压力传感器原理示意图如图1(a)所示。传感器电路由压力相关的可变电容器和电感线圈形成LC回路。在外界压力的作用下，电容的极板间距发生变化，引起电容的大小发生变化，则LC回路的谐振频率f也发生改变，因此，通过耦合线圈检测LC回路谐振频率的变化，就可以获得所测传感器的压力大小。

ZrO2高温陶瓷压力传感器结构如图1(b)所示，它是一种用于感知压力变化的感压陶瓷件，由三层陶瓷片组成。顶层和底层为压力敏感层，上层印刷有电容器上极板和电感，下层印有电容器下极板，通过传感器边界的金属连成LC通路。中间层的中心位置镂空一个正方形形成可变电容器空腔结构，其截面图如图1(b)所示。

图1　压力测试原理与传感器结构图Fig 1　Diagrams of pressure test principle andsensor structure

2非共烧陶瓷工艺

传感器加工中，采用高温共烧陶瓷工艺与低温共烧陶瓷工艺相结合，采用非共烧工艺方法，突破以往共烧陶瓷存在的弊端，具体工艺方法如图2。

传感器加工工艺步骤描述如下：生瓷片打孔→通孔填充、空腔填充→叠片→层压→高温多步烧结→印刷电感与电极板→再低温烧结→最终测试。

具体是：通过截片将带状的ZrO2陶瓷片截成需要的大小生瓷片(8 in(1 in=2.54 cm))，通过打孔工艺操作对中间层瓷片打孔形成电容器空腔。中间层打孔后，按对位标记进行对位，将中间层与底层并叠片到一起，然后在需要形成空腔的位置填充一种有机物(这种有机物能在500 ℃温度下挥化)。再与顶层对位叠片，然后把叠片好的三层结构压在两个金属钢板之间, 并真空包装在密封袋内，在15 MPa水压、75 ℃条件下进行层压25 min，取出后在70℃温度条件下进行热切成单元结构。把得到的每个单元结构布放在高温陶瓷承烧板之上，并在其瓷片上再压一个平整的高温陶瓷承烧板(以防瓷片在烧结软化时弯曲变形)，然后放入高温烧结炉中按高温瓷工艺曲线烧结约11 h，进行降温冷却。在烧结炉内取出烧结后的传感器后，再按网板图形丝网印刷电感和电容金属图形在单元传感器瓷片的上下层表面上，其印刷主要材料以Ag浆料为主，然后再按低温瓷工艺烧结电感和电容层，烧结完毕，取出进行密封性能测试。

图2　非共烧工艺步骤简图Fig 2　Process diagram of no-co-fired technology

传感器样品所图3所示。

图3　传感器实物照片Fig 3　Physical map of sensor

3传感器测试

为进行一定压力下的传感器频率测量，利用Agilent 阻抗分析仪、压力罐、压力控制装置、氮气管搭建了常温压力测试平台，如图4所示。测试时，为检查电容腔的完整性，先进行气密性检查。将传感器至于压力罐中，气压加到0.5 MPa，频率稳定后，静止5 min，如果传感器频率不变，说明传感器电容空腔完整，可以进行压力测试。如果频率由稳定变大，则电容腔漏气，不能测量。传感器的测试结果如图5所示，在0～1.2 bar气压范围内，传感器灵敏度为其谐振频率变化对压力的响应灵敏度约为491.10 kHz/bar。

图4　传感器压力测试系统Fig 4　Pressure test system of sensor

图5　传感器压力—频率测试曲线Fig 5　Pressure—frequency test curve of sensor

用一台密闭的波莱曼烧结炉、E5061网络分析仪等搭建高温测试平台，如图6所示。使用高温测试平台对高温压力传感器样品进行了从室温至600 ℃高温的高温测试。为防止高温测试中天线受热融化，测试中利用高温导线绕制天线，将传感器置于天线中心位置之上放置在烧结炉中。测试结果表明：所设计的传感器能工作到600 ℃。传感器谐振频率—温度特性曲线如图7所示。

图6　温度测试平台Fig 6　Temperature test platform

图7　传感器谐振频率—温度特性曲线Fig 7　Resonant frequency—temperature characteristics curve of sensor

4结论

本文利用ZrO2陶瓷制作的电容式高温压力传感器，经测试，传感器气密性良好。常温压力测试时，谐振频率随着压力增大而减小，响应灵敏度为491.10 kHz/bar。

本文所研究的ZrO2高温压力传感器在实现对外界压力信号的准确测试时，将压力信号以无线电磁波的形式向外传送，这样就不存在引线过热引起的影响信号的问题，使得传感器可以应用在高温恶劣环境下。

参考文献:

[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.

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[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

*基金项目：2014年研究生创新项目(20143085)； 国家自然科学基金资助项目(61471324)

中图分类号：TP 212.1

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0094—03

作者简介:

戴萧嫣(1981-), 女，江苏常熟人，硕士，讲师，主要研究方向为无线无源高温压力传感器、武器系统智能化。