一種全金屬微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源超高溫壓力傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超高溫傳感領(lǐng)域，具體涉及一種全金屬微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源超高溫壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超高溫(> 500°C )傳感是監(jiān)控、探測(cè)和維護(hù)渦輪、噴氣、沖壓等發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及其工作過(guò)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(chǎng)合存在極端高溫，大型發(fā)動(dòng)機(jī)如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖力發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度均在1300°C以上，有些場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的前提，這就要求儀器與測(cè)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(hào)的有源器件無(wú)法工作。硅基半導(dǎo)體在溫度超過(guò)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(hào)的傳輸成為超高溫傳感器工作的關(guān)鍵問(wèn)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(wú)線無(wú)源傳感技術(shù)。本發(fā)明目的在于提供一種耐超高溫的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器。
[0004]針對(duì)超高溫環(huán)境的惡劣生存條件，一些研宄者和發(fā)明人提出了采用基于LC諧振互感耦合理論的無(wú)線無(wú)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(duì)天線接收到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)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(wú)線無(wú)源壓力傳感器存在傳感距離短、信號(hào)損失大(品質(zhì)因數(shù)Q低)等問(wèn)題，因此目前有人提出采用微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源傳感技術(shù)解決超高溫惡劣環(huán)境下的壓力探測(cè)問(wèn)題。微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源壓力傳感器相對(duì)于LC諧振互感耦合式無(wú)線無(wú)源壓力傳感器，具有傳感距離大、信號(hào)損失低的優(yōu)勢(shì)。微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源壓力傳感器在超高溫環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，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(gè)諧振腔的諧振頻率變化，因此通過(guò)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(wú)線無(wú)源壓力傳感器基本構(gòu)成和工作原理。然而在陶瓷材料上涂覆金屬存在嚴(yán)重的界面不相容問(wèn)題，即金屬與陶瓷粘接性差，在高溫時(shí)將導(dǎo)致金屬大片剝落和應(yīng)力殘余，嚴(yán)重影響器件的可靠性。

【發(fā)明內(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(wú)線無(wú)源超高溫壓力傳感器中金屬與陶瓷粘接性差問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種全金屬微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源超高溫壓力傳感器及其制備方法，采用低熱脹系數(shù)和高熔點(diǎn)的金屬材料作為腔體材料，能實(shí)現(xiàn)超高溫場(chǎng)合的壓力測(cè)量，成型方法可靠，同時(shí)所設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件很少，故裝配容易。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0007]一種全金屬微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源超高溫壓力傳感器，其特征在于，所述傳感器由全鎢金屬微波諧振腔體和SiC微帶天線構(gòu)成，所述全鎢金屬微波諧振腔體由無(wú)蓋腔體和腔蓋通過(guò)Pt糊高溫粘結(jié)劑粘結(jié)而成，所述SiC微帶天線包括Pt層微帶和SiC，所述SiC微帶天線通過(guò)Pt糊粘接所述腔蓋上。
[0008]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種全金屬微波諧振腔式無(wú)線無(wú)源超高溫壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0009]S1、制備腔體:
[0010]S11、采用純度為99.0%-100%、粒徑小于300目的鎢粉做原料，在氬氣保護(hù)下，采用無(wú)水乙醇作為過(guò)程控制劑，采用QM-3SP2行星式球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械球磨，球磨罐為不銹鋼材質(zhì)，球磨球?yàn)镚Crl5軸承鋼球，直徑10mm、重500g，球磨速度150-400rpm，球磨時(shí)間12-72h，每球磨8-15min，停頓8_15min，得預(yù)粉化的鎢粉末；
[0011]S12、將步驟Sll所得的預(yù)粉化鎢粉末(重量份40-65% )與石蠟、高密度聚乙烯、聚丙烯組成的混合物(重量份35-60% )置于雙輥開(kāi)煉機(jī)內(nèi)混煉，混煉溫度為120-165°C，混煉時(shí)間為1-2.5h ；
[0012]S13、將步驟S12所得的原料進(jìn)行喂料，通過(guò)注塑機(jī)注射獲得零件生坯，注射溫度為 150-175°C、注射壓力為 40-80Mpa ；
[0013]S14、將步驟S13所得的零件生坯依次經(jīng)過(guò)室溫溶劑脫脂，1000-1300°C熱脫脂，最后在氫氣氣氛中，經(jīng)2250-2400°C燒結(jié)致密，得腔體；
[0014]S2、制備腔蓋:
[0015]S3、燒結(jié)腔蓋、腔體和SiC基微帶天線:
[0016]在腔體開(kāi)口端面上以及腔蓋的一個(gè)表面上涂覆Pt漿料，將腔蓋蓋在腔體上，有Pt糊層的放外面；在SiC的一個(gè)表面涂覆Pt層，反復(fù)涂覆3次直至Pt糊層厚30-70um，將SiC的無(wú)Pt糊層面與腔蓋的有Pt糊層面接觸，在900-1100°C燒結(jié)8-15min，即得成品。
[0017]所述步驟Sll中球磨球與鎢粉的體積比為8: 1-12: I。
[0018]所述步驟Sll中無(wú)水乙醇的用量為固體體積的15% -25%。
[0019]所述腔體為圓形腔、方形腔或異性腔中的一種。所述SiC可以替換為SiNC、SiAlNC或氮化硼。
[0020]所述全鎢金屬可替換為坦、鉬或耐高溫合金；所述Pt糊可替換為Cr糊。
[0021]所述步驟S12中石蠟、高密度聚乙烯和聚丙烯的重量比比例為:石蠟75?80%，高密度聚乙烯為9?14%，聚丙烯為7?10%。
[0022]所述步驟S2制備腔蓋的方法采用步驟SI中制備腔體的方法制備。
[0023]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]I)以低熱脹系數(shù)和高熔點(diǎn)的金屬材料作為整個(gè)腔體材料的材質(zhì)，完全規(guī)避了金屬涂層/高溫陶瓷諧振腔中金屬與陶瓷粘接性差問(wèn)題和在高溫使用時(shí)金屬/陶瓷熱脹系數(shù)不匹配問(wèn)題、及由熱脹系數(shù)不匹配引起的應(yīng)力問(wèn)題和剝落問(wèn)題，保證高溫壓力傳感器件的可靠性。
[0025]2)耐超高溫且熱膨脹小。微波諧振腔是以金屬限制微波振蕩的，因此采用鎢不影響微波諧振腔的功能。鎢是目前已知的耐超高溫金屬材料之一，可承受近2000°C的高溫；同時(shí)具有鎢金屬材料的低熱膨脹系數(shù)，因此能夠把耐高溫、低膨脹結(jié)合于一體，而這二種性能是超高溫惡劣環(huán)境中壓力傳感器特別需要的。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中腔體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為圖1中A-A的解剖圖。
[0028]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中腔蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4為圖3中B-B的解剖圖。
[0030]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中SiC微帶天線中SiC的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031 ] 圖6為圖5中C-C的解剖圖。
[0032]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中SiC微帶天線中Pt層微帶的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖8為圖5中D-D的解剖圖。
[0034]圖9為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖10為圖9中E-E的解剖圖。
[0036]圖11為圖9的俯視圖。
[0037]圖中附圖標(biāo)記為，1-腔體；2-腔蓋；3-SiC層；4-Pt糊層燒結(jié)后形成的Pt層微帶。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例