陶瓷封装HTCC高温压力传感器的设计与研究

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目前,在军事、交通管理、航空航天等多个领域中,均存在着高温高压等恶劣环境,而监控温度、压力参数的变化对提高效率以及系统的安全运转有着重要的意义。现有的传感器受材料性能和信号提取方法的限制,难以满足高温环境下的测试需求,而利用多层叠片技术制作的陶瓷基无源传感器在高温下有着巨大的优势。本课题组对陶瓷基电感-电容式(LC)无源传感器已经研究多年,主要代表是LTCC基传感器以及HTCC基传感器。但是,所研究的器件在高温测试时,由于读取天线与传感器难以固定,存在信号提取不稳定的问题。因此,为了实现传感器的实际高温应用,本论文提出了一种陶瓷封装的HTCC高温压力传感器,并重点开展了高温压力传感器封装结构的设计与研究,对LC传感器的实际应用具有重要的意义。基于LC谐振原理,分析了高温压力传感器的信号提取方式。对传感器电路中的平面螺旋电感模型和平行板电容器模型分别进行了理论分析。介绍了LC式无源压力传感器常见的电容模型,分析了传感器压力敏感原理,同时对陶瓷封装结构的测试原理进行了分析。通过对电磁理论的研究,设计了基于HTCC的高温压力传感器的结构。研究了传感器压敏元件的力学模型,并提出了理论计算,同时对压敏结构进行了ANSYS力学仿真。介绍了HTCC微组装工艺,对基底进行了多次烧结实验并得出了烧结工艺曲线,并对传感器进行了制备。根据封装结构的设计要求,设计了高温压力传感器的陶瓷封装结构。通过陶瓷机械精加工工艺制备了封装结构,完成了传感器的封装,并对其进行了压力测试,由测试结果得出,传感器谐振频率随压力变化表现出了良好的线性度,其压力灵敏度约为0.458MHz/bar。从25℃到700℃对封装结构进行了四次重复高温测试,结果表明:多次测试重复性良好,证明了封装结构具有高的可靠性;并且在700℃,传感器仍有约7dB的信号,说明传感器的陶瓷封装结构有在700℃以上高温环境中工作的潜力。
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