基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器

摘要

本发明涉及共烧陶瓷高温传感器，具体是一种基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器。本发明解决了现有共烧陶瓷高温传感器只能进行单参数测量的问题。基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器包括第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片、第六生瓷片、第七生瓷片、第八生瓷片、第九生瓷片、第十生瓷片、第十一生瓷片；第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片、第六生瓷片、第七生瓷片、第八生瓷片、第九生瓷片、第十生瓷片、第十一生瓷片自下而上依次层叠成一体。本发明适用于自动化、航天、航空和国防军工领域中的同一位置多参数测量。

说明书

技术领域

本发明涉及无线无源高温陶瓷传感器，具体是一种基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器。

背景技术

LTCC（低温共烧陶瓷）和HTCC（高温共烧陶瓷）高温传感器因其具有耐高温、低成本、绝缘、自封装等一系列特性，而被广泛应用于自动化、航天、航空和国防军工领域中的压力、温度、加速度等参数的测量。在现有技术条件下，LTCC和HTCC高温传感器受自身结构所限，只能进行单参数测量。因此，现有LTCC和HTCC高温传感器在很多应用场合无法满足特定的测试需求。例如在对航空发动机进行参数测量时，需要同时测量其尾喷位置的压力、温度和加速度。如果采用现有的共烧陶瓷高温传感器进行测量，则需要在航空发动机上打三个安装孔来分别安装三个共烧陶瓷高温传感器，并通过三个共烧陶瓷高温传感器分别测量压力、温度和加速度。然而这样便无法保证三个共烧陶瓷高温传感器测得的数据是同一位置的数据，从而影响测量数据的准确性。此外，多个安装孔还会对被测物的结构强度带来不利影响。基于此，有必要发明一种全新的共烧陶瓷高温传感器，以解决现有共烧陶瓷高温传感器只能进行单参数测量的问题。

发明内容

本发明为了解决现有共烧陶瓷高温传感器只能进行单参数测量的问题，提供了一种基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器，包括第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片、第六生瓷片、第七生瓷片、第八生瓷片、第九生瓷片、第十生瓷片、第十一生瓷片；第一生瓷片、第二生瓷片、第三生瓷片、第四生瓷片、第五生瓷片、第六生瓷片、第七生瓷片、第八生瓷片、第九生瓷片、第十生瓷片、第十一生瓷片自下而上依次层叠成一体；第一生瓷片的右部开设有上下贯通的第一导气孔；第一生瓷片的后部开设有上下贯通的第一排气孔；第二生瓷片的右部开设有上下贯通的第二导气孔；第二导气孔与第一导气孔对应贯通；第二生瓷片的后部开设有上下贯通的第二排气孔；第二排气孔与第一排气孔对应贯通；第二生瓷片的左部开设有上下贯通的悬臂梁质量块活动孔；第三生瓷片的上表面右部布置有压力敏感电容下极板；压力敏感电容下极板与第二导气孔位置正对；第三生瓷片的后部开设有上下贯通的第三排气孔；第三排气孔与第二排气孔对应贯通；第三生瓷片的左部打孔加工有悬臂梁质量块；悬臂梁质量块与悬臂梁质量块活动孔位置对应；悬臂梁质量块的上表面布置有加速度敏感电容下极板；第四生瓷片的右部开设有上下贯通的压力敏感电容介质孔；压力敏感电容介质孔与压力敏感电容下极板位置正对；压力敏感电容介质孔的后孔壁开设有第一排气通道；第一排气通道的后端与第三排气孔对应贯通；第四生瓷片的左部开设有上下贯通的加速度敏感电容介质孔；加速度敏感电容介质孔与加速度敏感电容下极板位置正对；加速度敏感电容介质孔的左孔壁与第四生瓷片的左表面开设有左右贯通的第二排气通道；第五生瓷片的上表面右部布置有压力敏感电容上极板；压力敏感电容上极板与压力敏感电容介质孔位置正对；第五生瓷片的上表面左部布置有加速度敏感电容上极板；加速度敏感电容上极板与加速度敏感电容介质孔位置正对；第六生瓷片的上表面中央布置有温度敏感电容下极板；第七生瓷片为采用铁电介质材料制成的生瓷片；第八生瓷片的上表面中央分别布置有温度敏感电容上极板和温度敏感LC环路的电感线圈；温度敏感电容上极板与温度敏感电容下极板位置正对；温度敏感LC环路的电感线圈的内端与温度敏感电容上极板连接；第九生瓷片的上表面左前部布置有加速度敏感LC环路的电感线圈；第十生瓷片的上表面右后部布置有压力敏感LC环路的电感线圈；第三生瓷片的下表面与第十生瓷片的上表面开设有上下贯通的过孔；过孔内穿设有由金属浆料填充形成的导线；温度敏感LC环路的电感线圈的外端通过导线与温度敏感电容下极板连接；加速度敏感LC环路的电感线圈的内端通过导线与加速度敏感电容上极板连接；加速度敏感LC环路的电感线圈的外端通过导线与加速度敏感电容下极板连接；压力敏感LC环路的电感线圈的内端通过导线与压力敏感电容上极板连接；压力敏感LC环路的电感线圈的外端通过导线与压力敏感电容下极板连接。

工作时，采用玻璃浆堵住第一排气孔，以保证压力敏感电容介质孔的气密性，并将本发明所述的基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器与外部线圈天线进行耦合。具体工作过程包括：一、当测量温度变化时，第七生瓷片的介电常数随温度变化而发生变化，导致温度敏感电容的电容值发生变化，进而导致温度敏感LC环路的谐振频率发生变化。此时通过外部线圈天线读取谐振频率，即可测得温度值。二、在加速度作用时，悬臂梁在振动作用下发生弯曲变形，使得质量块在悬臂梁质量块活动孔和加速度敏感电容介质孔内发生上下振动，进而使得加速度敏感电容下极板与加速度敏感电容上极板之间的距离发生变化，导致加速度敏感电容的电容值发生变化，进而导致加速度敏感LC环路的谐振频率发生变化。此时通过外部线圈天线读取谐振频率，即可测得加速度值。三、当有压力作用时，第三生瓷片在压力作用下发生形变，使得压力敏感电容下极板与压力敏感电容上极板之间的距离发生变化，导致压力敏感电容的电容值发生变化，进而导致压力敏感LC环路的谐振频率发生变化。此时通过外部线圈天线读取谐振频率，即可测得压力值。在上述过程中，第一导气孔和第二导气孔的作用是保证压力敏感电容下极板与外界环境接触。第一排气孔、第二排气孔、第三排气孔、第一排气通道、第二排气通道的作用是保证层叠过程中的碳膜在烧结氧化后排出。第十一生瓷片的作用是保证压力敏感LC环路的电感线圈不暴露于恶劣环境中（既可以有效防止压力敏感LC环路的电感线圈在高温下氧化，又可以防止压力敏感LC环路的电感线圈在腐蚀性环境下被腐蚀），同时提高传感器的整体结构强度。基于上述过程，本发明所述的基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器通过十一层生瓷片将三个敏感电容（压力敏感电容、加速度敏感电容、温度敏感电容）和三个敏感LC环路（压力敏感LC环路、加速度敏感LC环路、温度敏感LC环路）集成为一体，实现了对同一位置的压力、加速度、温度三参数进行测量。因此，与现有共烧陶瓷高温传感器相比，本发明所述的基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器不仅测量准确性更高，而且省去了多个安装孔，从而有效保证了被测物的结构强度。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有共烧陶瓷高温传感器只能进行单参数测量的问题，适用于自动化、航天、航空和国防军工领域中的同一位置多参数测量，尤其适用于各种恶劣条件下的同一位置多参数测量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的分体结构示意图。

图3是本发明的第一生瓷片的结构示意图。

图4是本发明的第二生瓷片的结构示意图。

图5是本发明的第三生瓷片的结构示意图。

图6是本发明的第四生瓷片的结构示意图。

图7是本发明的第五生瓷片的结构示意图。

图8是本发明的第六生瓷片的结构示意图。

图9是本发明的第七生瓷片的结构示意图。

图10是本发明的第八生瓷片的结构示意图。

图11是本发明的第九生瓷片的结构示意图。

图12是本发明的第十生瓷片的结构示意图。

图13是本发明的第十一生瓷片的结构示意图。

图14是本发明的耦合集总电路模型的结构示意图。

图15是本发明的耦合集总电路模型的仿真分析结果示意图。

图16是本发明的耦合实验测试结果示意图。

图中：1-第一生瓷片，2-第二生瓷片，3-第三生瓷片，4-第四生瓷片，5-第五生瓷片，6-第六生瓷片，7-第七生瓷片，8-第八生瓷片，9-第九生瓷片，10-第十生瓷片，11-第十一生瓷片，12-第一导气孔，13-第一排气孔，14-第二导气孔，15-第二排气孔，16-悬臂梁质量块活动孔，17-压力敏感电容下极板，18-第三排气孔，19-悬臂梁质量块，20-加速度敏感电容下极板，21-压力敏感电容介质孔，22-第一排气通道，23-加速度敏感电容介质孔，24-第二排气通道，25-压力敏感电容上极板，26-加速度敏感电容上极板，27-温度敏感电容下极板，28-温度敏感电容上极板，29-温度敏感LC环路的电感线圈，30-加速度敏感LC环路的电感线圈，31-压力敏感LC环路的电感线圈，32-过孔，33-导线。

具体实施方式

基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器，包括第一生瓷片1、第二生瓷片2、第三生瓷片3、第四生瓷片4、第五生瓷片5、第六生瓷片6、第七生瓷片7、第八生瓷片8、第九生瓷片9、第十生瓷片10、第十一生瓷片11；

第一生瓷片1、第二生瓷片2、第三生瓷片3、第四生瓷片4、第五生瓷片5、第六生瓷片6、第七生瓷片7、第八生瓷片8、第九生瓷片9、第十生瓷片10、第十一生瓷片11自下而上依次层叠成一体；

第一生瓷片1的右部开设有上下贯通的第一导气孔12；第一生瓷片1的后部开设有上下贯通的第一排气孔13；

第二生瓷片2的右部开设有上下贯通的第二导气孔14；第二导气孔14与第一导气孔12对应贯通；第二生瓷片2的后部开设有上下贯通的第二排气孔15；第二排气孔15与第一排气孔13对应贯通；第二生瓷片2的左部开设有上下贯通的悬臂梁质量块活动孔16；

第三生瓷片3的上表面右部布置有压力敏感电容下极板17；压力敏感电容下极板17与第二导气孔14位置正对；第三生瓷片3的后部开设有上下贯通的第三排气孔18；第三排气孔18与第二排气孔15对应贯通；第三生瓷片3的左部打孔加工有悬臂梁质量块19；悬臂梁质量块19与悬臂梁质量块活动孔16位置对应；悬臂梁质量块19的上表面布置有加速度敏感电容下极板20；

第四生瓷片4的右部开设有上下贯通的压力敏感电容介质孔21；压力敏感电容介质孔21与压力敏感电容下极板17位置正对；压力敏感电容介质孔21的后孔壁开设有第一排气通道22；第一排气通道22的后端与第三排气孔18对应贯通；第四生瓷片4的左部开设有上下贯通的加速度敏感电容介质孔23；加速度敏感电容介质孔23与加速度敏感电容下极板20位置正对；加速度敏感电容介质孔23的左孔壁与第四生瓷片4的左表面开设有左右贯通的第二排气通道24；

第五生瓷片5的上表面右部布置有压力敏感电容上极板25；压力敏感电容上极板25与压力敏感电容介质孔21位置正对；第五生瓷片5的上表面左部布置有加速度敏感电容上极板26；加速度敏感电容上极板26与加速度敏感电容介质孔23位置正对；

第六生瓷片6的上表面中央布置有温度敏感电容下极板27；

第七生瓷片7为采用铁电介质材料制成的生瓷片；

第八生瓷片8的上表面中央分别布置有温度敏感电容上极板28和温度敏感LC环路的电感线圈29；温度敏感电容上极板28与温度敏感电容下极板27位置正对；温度敏感LC环路的电感线圈29的内端与温度敏感电容上极板28连接；

第九生瓷片9的上表面左前部布置有加速度敏感LC环路的电感线圈30；

第十生瓷片10的上表面右后部布置有压力敏感LC环路的电感线圈31；

第三生瓷片3的下表面与第十生瓷片10的上表面开设有上下贯通的过孔32；过孔32内穿设有由金属浆料填充形成的导线33；

温度敏感LC环路的电感线圈29的外端通过导线33与温度敏感电容下极板27连接；

加速度敏感LC环路的电感线圈30的内端通过导线33与加速度敏感电容上极板26连接；加速度敏感LC环路的电感线圈30的外端通过导线33与加速度敏感电容下极板20连接；

压力敏感LC环路的电感线圈31的内端通过导线33与压力敏感电容上极板25连接；压力敏感LC环路的电感线圈31的外端通过导线33与压力敏感电容下极板17连接。

温度敏感LC环路、加速度敏感LC环路、压力敏感LC环路集成为一体；温度敏感LC环路、加速度敏感LC环路、压力敏感LC环路共同与一个外部线圈天线耦合。工作时，通过一个外部线圈天线即可读取上述三个敏感LC环路的谐振频率。

具体实施时，压力敏感电容下极板17、加速度敏感电容下极板20、压力敏感电容上极板25、温度敏感电容下极板27、温度敏感电容上极板28、温度敏感LC环路的电感线圈29、加速度敏感LC环路的电感线圈30、压力敏感LC环路的电感线圈31、导线33均通过金属浆料印刷布置。在进行结构参数设计时，要尽量减少压力敏感LC环路、加速度敏感LC环路、温度敏感LC环路相互之间的耦合，而尽量增大外部线圈天线与压力敏感LC环路、加速度敏感LC环路、温度敏感LC环路之间的耦合。同时，要保证压力敏感LC环路、加速度敏感LC环路、温度敏感LC环路在可变的谐振频率范围内各自的谐振频率分离（例如压力敏感LC环路的谐振频率、加速度敏感LC环路的谐振频率、温度敏感LC环路的谐振频率分别为20MHz、30MHz、40MHz）。此外，要保证外部线圈天线的输入频率范围覆盖压力敏感LC环路、加速度敏感LC环路、温度敏感LC环路的谐振频率的扫频信号。通过测量外部线圈天线的阻抗相位角，可以得到三个相位波谷点，分别对应压力敏感LC环路、加速度敏感LC环路、温度敏感LC环路的谐振频率，通过谐振频率或标定数据可得测量的压力值、温度值、加速度值。如图14所示，建立本发明所述的基于共烧陶瓷技术的高温无线无源三参数集成传感器与外部线圈天线的耦合集总电路模型。通过分析该耦合集总电路模型，得出如下表达式：

；

以上各式中：L₁为外部线圈天线的电感；L₂为压力敏感LC环路的电感；L₃为加速度敏感LC环路的电感；L₄为温度敏感LC环路的电感；C₂为压力敏感LC环路的可变电容；C₃为加速度敏感LC环路的可变电容；C₄为温度敏感LC环路的可变电容；R₁为外部线圈天线的串联电阻；R₂为压力敏感LC环路的串联电阻；R₃为加速度敏感LC环路的串联电阻；R₄为温度敏感LC环路的串联电阻；V₁为外部线圈天线的输入端电压；V₂为压力敏感LC环路的电感两端的电压；V₃为加速度敏感LC环路的电感两端的电压；V₄为温度敏感LC环路的电感两端的电压；I₁为外部线圈天线的电流；I₂为压力敏感LC环路的感应电流；I₃为加速度敏感LC环路的感应电流；I₄为温度敏感LC环路的感应电流；M₁₂为外部线圈天线与压力敏感LC环路之间的互感；M₁₃为外部线圈天线与加速度敏感LC环路之间的互感；M₁₄为外部线圈天线与温度敏感LC环路之间的互感；M₂₃为压力敏感LC环路与加速度敏感LC环路之间的互感；M₂₄为压力敏感LC环路与温度敏感LC环路之间的互感；M₃₄为加速度敏感LC环路与温度敏感LC环路之间的互感。如图15所示，通过MATLAB软件分析该耦合集总电路模型中外部线圈天线的阻抗参数，得出外部线圈天线的阻抗相位角随频率f的变化曲线，通过该变化曲线可得三个相位波谷点，该三个相位波谷点分别对应压力敏感LC环路、加速度敏感LC环路、温度敏感LC环路的谐振频率。如图16所示，通过耦合实验测试，得出实验测试结果与MATLAB软件分析结果一致。实验测试结果还表明：当压力敏感LC环路的可变电容、加速度敏感LC环路的可变电容、温度敏感LC环路的可变电容变化时，三个相位波谷点所对应的谐振频率也发生变化。