基于基片集成波导谐振器的无线无源高温温度/压力传感器研究

摘要

可应用于高温环境中的温度、压力无线传感器件在航空、航天及国防军工等领域具有非常广泛的需求，特别是针对发动机内部恶劣环境中关键参数的监测，有着重大的研究意义。现有的无线传感器件，由于其尺寸参数以及高温下的性能表现限制，还无法满足这一测试需求。针对上述问题，本论文提出了基于基片集成波导(SIW)谐振器的无线无源传感结构，通过对传感器基底材料的性能测试、结构尺寸的仿真优化以及制备工艺的摸索，最终分别制备出具有高品质因数、较小尺寸且抗金属干扰能力强的高温温度、压力传感器。本文的研究工作可以概述为:
　　1、研究了基片集成波导(SIW)的结构组成，建立了SIW结构与矩形波导之间的等效对应关系，分析了SIW中的电磁传播特性，推导了SIW传播特性参数计算公式;最后推算出常见的基片集成波导谐振器的频率计算公式。
　　2、分析了基于基片集成波导高温传感器件的工作机理，确定影响传感器响应性能的基底材料关键参数。以99Al2O3、97Al2O3和蓝宝石三种陶瓷作为研究对象，采用石墨示差法对其热膨胀系数及热应变进行测试;采用三点弯曲法对陶瓷的抗弯强度及弯曲弹性模量进行了测试，最终确定出本文中制备基于SIW结构的高温传感器件的基底材料。
　　3、设计了一种基于SIW结构的谐振式温度传感器，采用集成缝隙天线的方式来实现无线传感。利用HFSS电磁仿真软件分别对基底厚度对谐振器性能的影响、缝隙天线尺寸对耦合效果的影响进行研究;利用激光切割及丝网印刷技术对传感器进行制备;利用铂浆和氧化铝制备了耐高温共面波导天线;在不同测试距离下对传感器的高温频率响应进行测试，并进行了30℃～1200℃的重复测试。
　　4、提出了一种基于SIW的高温压力传感器，由中心频率的大小推算出其初始尺寸，通过软件仿真确定缝隙天线的尺寸;采用HTCC微组装工艺对传感器进行加工，其中，空腔采用的碳膜填充作为牺牲层进行构建，最后利用金属波导作为馈电天线，在高温压力复合测试平台中对传感器在不同温度下的频率响应进行测试。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究的目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 无线高温传感器的研究现状

1．3．2 基于基片集成波导结构的传感器的研究现状

1．4 论文主要研究内容

1．5 论文创新点

第二章 基片集成波导的电磁传播理论研究

2．1 常见导波结构

2．2 基片集成波导(SIW)结构

2．3 基片集成波导与矩形波导结构间的等效对应

2．4 基片集成波导的电磁传播特性

2．4．1 电磁波在基片集成波导中的传输模式

2．4．2 基片集成波导的电磁波传播特性参数

2．5 基片集成波导谐振器

2．5．1 矩形波导腔体的谐振频率

2．5．2 基片集成波导谐振器的谐振频率

2．6 本章小结

3．1 概述

3．2 耐高温陶瓷的热膨胀系数的研究

3．2．1 热膨胀系数相关理论

3．2．2 示差法测试热膨胀系数

3．2．3 陶瓷试样的热膨胀系数测试及分析

3．3 耐高温陶瓷高温弯曲性能的研究

3．3．1 弯曲性能相关理论

3．3．2 三点弯曲测试原理及测试设备

3．3．3 耐高温陶瓷的弯曲测试结果分析

3．4 本章小结

4．1 概述

4．2 基于SIW温度传感器的工作原理

4．3 温度传感器的建模仿真及参数优化

4．3．1 SIW结构厚度对谐振频率的影响

4．3．2 缝隙天线的位置及尺寸大小对耦合效果的影响

4．4 温度传感器的制备

4．5 温度传感器的测试与分析

4．5．1 温度传感器的室温测试

4．5．2 温度传感器的高温测试平台搭建

4．5．3 温度传感器的测试结果分析

4．6 本章小结

5．1 概述

5．2 基于SIW的高温压力传感器的敏感机理

5．3 高温压力传感器的参数设计

5．4 高温压力传感器的制备

5．5 传感器的测试

5．5．1 传感器的温度测试

5．5．2 传感器的高温压力测试

5．5．3 传感器的高温压力测试结果分析

5．6 本章小结

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢