CN209400122U - 一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器设计与制造。涉及压力传感器。所述压力传感器芯片设有压力腔、开槽天线及金属层。压力腔是由通过SiAlCN薄膜和SiAlCN体通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘合剂经过多次烧结后达到键合目的形成压力腔；在键合前在SiAlCN薄膜和SiAlCN体的表面采用丝印方式形成金属谐振腔；在丝印的同时用聚酰亚胺保护形成信号传输用的开槽天线。高可靠性且适用于高温高压、酸碱、潮湿等恶劣环境。

Description

一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种无线无源压力传感器，尤其是涉及一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器。

背景技术

在航空发动机里面，对引擎的燃烧室中空气压力的测量，有助于控制空气与燃料的混合，从而降低熄火的危险。这需要一种能在600℃～1800℃的温度中正常工作的压力传感器，这种需求极大的刺激了高温压力传感器的发展。

微机械压力传感器是一种成熟的商业产品。典型的压力传感器是以易弯曲的硅薄膜作为敏感元件并用硅压敏电阻或电容器来感应压力。这些传感器已经被很广泛的使用。然而，这种传感器由于材料和输出方式的限制，不能在高温环境下应用。

很多耐高温材料已经被用来制作压力传感器，替代原来的硅材料。如：碳化硅，多晶金刚石和陶瓷等材料，这些材料都可以用来制作高温压力传感器。碳化硅压力传感器是采用碳化硅薄膜和压敏电阻来测量压力的变化。多晶金刚石压力传感器同样是采用金刚石薄膜和压敏电阻。这些技术都可以用来制作高温压力传感器，但是它们的制造技术没有硅基压力传感器那么成熟。

微电子封装工业为陶瓷的封装提供一个技术基础。先驱体转化陶瓷法是一种在20世纪中末期发展起来的一种陶瓷制备方式，在低温(800℃-1200℃) 条件下将有机硅聚合物转化成Si(M)CN陶瓷，这类陶瓷在保留传统陶瓷优异耐高温性能的同时克服了传统陶瓷的脆性。这种高温特性表明陶瓷片是可以用来制作高温压力传感器。

在实用新型中基于先驱体转换陶瓷法制作高温压力传感器。该传感器利用无线传感技术来测量压力的变化。在该方案中，压力被转化为频移输出，而该频移信号可以在远处被探测到。由于该传感器使用无线传感技术，无需直接给传感器供能，使测试端与传感器端分开，因此这种技术非常适合高温环境下的压力测量。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型的目的在于针现有的硅基压力传感器工作温度低，无法实现在高温高压等特殊环境中使用的需求，提供一种可在高温恶劣环境下使用的一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

本实用新型所述平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器设计与制造，设有正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜，在方形或者矩形非晶态SiAlCN 压力薄膜的内表面设有耐高温金属层，方形或者矩形非晶态SiAlCN压力薄膜的内表面设有耦合激励天线与外界进行信号传输；设有正方形或矩形非晶态 SiAlCN陶瓷体块，在正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷体块的内表面设有耐高温金属层；镀有金属层的SiAlCN压力薄膜和SiAlCN体材料通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝作为粘合剂经过多次烧结后达到键合目的形成压力腔，形成无线无源压力传感器。

所述正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜长宽为5-20mm，厚度为 0.3-1mm，所述方形或者矩形非晶态SiAlCN体材料长宽为5-20mm，厚度为 3-10mm。

所述耐高温金属层是指熔点超过1000℃的金属层；所述耐高温金属层的厚度为25-60μm。

所述方形或者矩形非晶态SiAlCN压力薄膜的内表面耦合激励天线长宽为 0.6mm-12mm，共面波导传输线工作频段为3.5-12GHz。

所述方形或者矩形非晶态SiAlCN体材料与正方形或矩形非晶态SiAlCN 陶瓷压力薄膜通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘合剂经过多次低温烧结完成键合。

所述平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器设计与制造，包括以下步骤：

1)制备正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜；

(1)正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜制备，具体方法如下：

方法1：将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液、乙醇与光引发剂混合后，放入涂胶机进行涂胶后，放上相应图案的掩模板进行紫外预交联并进行脱模，得到正方形或矩形淡黄色SiAlCN陶瓷薄膜素坯；或

方法2：将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液进行热交联，使其由液态的聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液变为淡黄色固态的含铝的聚乙烯基硅氮烷，球磨成粉并热压得到正方形或矩形淡黄色SiAlCN陶瓷薄膜素坯；或

方法3：将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液与光引发剂混合后，进行紫外交联，研磨成粉后，热压成正方形或矩形淡黄色SiAlCN陶瓷薄膜素坯；

(2)淡黄色正方形或矩形SiAlCN陶瓷薄膜素坯在惰性气体保护下进行埋烧热解，再退火处理后，得正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜；

2)制备正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷体；

方法1：将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液进行热交联，使其由液态的聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液变为淡黄色固态的含铝的聚乙烯基硅氮烷，球磨成粉并热压得到正方形或矩形淡黄色SiAlCN陶瓷体素坯；或

方法2：将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液与光引发剂混合后，进行紫外交联，研磨成粉后，热压成正方形或矩形淡黄色SiAlCN陶瓷体素坯；

3)在正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜内表面的耦合激励端口处用聚酰亚胺胶带保护后，再在正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷薄膜的内表面采用丝网印刷的方式镀上导电胶后进行热处理除胶，然后再去除聚酰亚胺胶带，即得到内表面带有耦合激励端口的正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜。

4)在正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷体内表面采用丝网印刷的方式镀上导电胶后进行热处理除胶，即得到内表面有金属层的正方形或矩形非晶态 SiAlCN陶瓷体。

5)用先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘合剂将正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷体和正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷体进行多次烧结，达到键合目的，完成平膜结构的SiAlCN无线无源压力传感器芯片的设计与制造。

在步骤1)第(1)部分的方法1中，所述光引发剂为I819光引发剂；所述先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液[1：(0.01-0.1)]、乙醇与I819 光引发剂的质量比可为1：(0.05-0.5)：(0.005-0.1)；涂胶速度为1000-2500 转/分，膜厚为0.5-1.5mm。

在步骤1)第(1)部分的方法2中，所述热交联的温度可为160-300℃，热交联的时间可为1.5-3h；所述粉末的粒径可为0.1-0.5μm；所述热压成型的温度为80-100℃，压力为5-10MPa，保压时间为2-10s。

在步骤1)第(1)部分的方法3中，所述光引发剂为I819光引发剂；所述先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液[1：(0.01-0.1)]与I819光引发剂的质量比可为1：(0.005-0.1)；所述模具为PDMS模具，模具的高度可为 0.6-2mm；所述紫外交联的条件可为：紫外灯光照射下直接交联，紫外灯的功率为250w，紫外光的中心波长为326nm，紫外交联的时间可为0.2-1h。所述粉末的粒径可为0.1-2μm；所述粉末的粒径可为0.1-0.5μm；所述热压成型的温度为80-100℃，压力为5-10MPa，保压时间为2-10s。

在步骤1)第(2)部分中，所述惰性气体采用高纯氮气或氩气；所述热解的温度可为800-1000℃，热解的时间可为0.5-4h，埋烧环境为SiAlCN 陶瓷粉末；所述退火处理的温度为1000-1600℃，退火处理的时间为0.5-4h；所制得正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷薄膜为无缺陷致密薄膜。

在步骤2)中的法1，所述热交联的温度可为160-300℃，热交联的时间可为1.5-3h；所述粉末的粒径可为0.1-0.5μm；所述热压成型的温度为 80-100℃，压力为5-10MPa，保压时间为2-10s。

在步骤2)中的法2，所述光引发剂为I819光引发剂；所述先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液[1：(0.01-0.1)]与I819光引发剂的质量比可为1：(0.005-0.1)；所述模具为PDMS模具，模具的高度可为0.6-2mm；所述紫外交联的条件可为：紫外灯光照射下直接交联，紫外灯的功率为250w，紫外光的中心波长为326nm，紫外交联的时间可为0.2-1h。所述粉末的粒径可为0.1-2μm；所述粉末的粒径可为0.1-0.5μm；所述热压成型的温度为80-100℃，压力为5-10MPa，保压时间为2-10s。

在步骤3)中，所述在SiAlCN陶瓷压力薄膜表面镀金属层，是通过丝网印刷的方法在SiAlCN陶瓷压力膜内表面印上导电铂胶或钛胶；所述耦合激励端口尺寸为0.6mm-12mm；所述除胶温度为80℃-180℃，除胶时间为0.5h-3h；所述金属层的厚度可为20-60μm。

在步骤5)中，所述SiAlCN陶瓷压力膜与SiAlCN陶瓷体键合是通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液[1：(0.01-0.1)]作为粘结剂进行多次烧结，达到完美封闭腔，实现压力传感器的制备。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器，具备以下有益效果：

本实用新型的平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器是由通过SiAlCN薄膜和SiAlCN体通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘合剂经过多次烧结后达到键合目的形成压力腔；在键合前在SiAlCN薄膜和SiAlCN体的表面采用丝印方式形成金属谐振腔；在丝印的同时用聚酰亚胺保护形成信号传输用的开槽天线。其最高温度可达1400℃，压力测量范围为0-8MPa。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的平膜压力传感器示意图；

图2为本实用新型所涉及的沿天线长度方向平膜结构压力传感器横剖面图；

图3为本实用新型所涉及的沿天线宽度方向平膜结构压力传感器横剖面图；

图4为本实用新型所涉及的天线结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

1、取1g聚乙烯基硅氮烷与0.05g仲丁醇铝在空气中80℃磁力搅拌24 h得到混合液体，混合液在与0.1g光引发剂和0.05g酒精混合，25℃温度下以800rad/min的转速搅拌0.2h.得到淡黄色混合液。

2、将四氟薄板吸在涂胶机上，然后将混合液滴在四氟板上，打开涂胶机设置转速为1000转/分，旋胶时间为0.5分钟。

3、将旋好胶的四氟板放在250w的紫外灯下进行交联0.5h，交联固化后脱模得到长方形或正方形陶瓷薄膜素胚。

4、将3g聚乙烯基硅氮烷与0.15g仲丁醇铝在空气中80℃磁力搅拌24h 得到混合液体，混合液与0.3g光引发剂混合，80℃温度下以800rad/min 的转速搅拌1h，得到淡黄色混合液。

5、将混合液放入烧结炉内，在氮气保护气氛下300℃条件下进行热交联，使其由液态的含铝聚乙烯基硅氮烷变为淡黄色固态的含铝聚乙烯基硅氮烷，球磨成粉并热压得到正方形或矩形淡黄色SiAlCN陶瓷体素坯。

6、将陶瓷素坯片进行烧结。在干净的刚玉坩埚内分别放入陶瓷薄膜素胚和陶瓷体素胚，在放陶瓷薄膜素胚的坩埚底部垫好石墨纸并铺上少许SiAlCN 陶瓷粉末，然后将陶瓷薄膜素坯片埋入陶瓷粉内，再将坩埚分别放入高温管式炉中进行烧结，在高纯N₂气氛下以0.2℃/min的升温速度，从室逐步温升至400℃，400℃保温4h后再以0.2℃/min的速度升温至800℃，随后自然冷却到室温，得到陶瓷压力薄膜及陶瓷体。

7、将得到的陶瓷感压薄膜和陶瓷体进行退火。在高温管式炉中进行烧结，高纯N₂气氛下以1℃/min的升温速度，从室温升至1500℃，1500℃保温4 h后自然冷却到室温，最终得到厚度为0.8mm，长宽为18mm的SiAlCN陶瓷压力薄膜，厚度为1.2mm，长宽为18mm的SiAlCN陶瓷体。

8、在SiAlCN陶瓷感压薄膜的内侧表面中心点用聚酰亚胺胶带保护以预留一开口，长宽分别为9mm和宽0.9mm。通过丝印的方式在SiAlCN陶瓷表面镀一层25μm厚的铂胶，经除胶后获得内侧面带有耦合激励端口的SiAlCN 陶瓷压力薄膜。

9、陶瓷体内表面金属化，步骤与6相同。

10、SiAlCN陶瓷压力膜与SiAlCN陶瓷体键合，通过多次将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘结剂进行多次烧结，直至形成封闭腔，实现压力传感器的制备。

实施例2

1、取10g聚乙烯基硅氮烷和0.5g的仲丁醇铝，混合后在空气中80℃磁力搅拌24h得到混合液体，将混合液倒入锡箔纸盒中，然后放入高温管式炉中进行热交联，在高纯N2气氛下以0.8℃/min的升温速度，从室温升至 180℃，180℃保温1h后自然冷却到室温，得到淡黄色固态含铝聚乙烯基硅氮烷。

2、将得到的淡黄色固态含铝聚乙烯基硅氮烷用球磨机进行球磨。选用的球磨机为QM-1SP2行星式球磨机，球磨时的转速为350rad/min，球磨时间为 6h，每半小时反转一次。球磨后得到粉末。

3、分别取0.5g、1g和2g球磨后得到的粉末直接加入长宽分别为 20mm*25mm的可加热温控方形模具中进行加热压片，50℃温度下10MPa保压 5s，得到陶瓷薄膜、体素坯片。

4、将陶瓷素坯片进行烧结。在干净的刚玉坩埚内分别放入陶瓷薄膜素胚和陶瓷体素胚，在放陶瓷薄膜素胚的坩埚底部垫好石墨纸并铺上少许SiAlCN 陶瓷粉末，然后将陶瓷薄膜素坯片埋入陶瓷粉内，再将坩埚分别放入高温管式炉中进行烧结，在高纯N₂气氛下以0.2℃/min的升温速度，从室逐步温升至400℃，400℃保温4h后再以0.2℃/min的速度升温至800℃，随后自然冷却到室温，得到陶瓷压力薄膜及陶瓷体。

5、将得到的陶瓷薄膜和陶瓷体进行退火。在高温管式炉中进行烧结，高纯N₂气氛下以1℃/min的升温速度，从室温升至1300℃，1300℃保温4h 后自然冷却到室温，最终得到厚度为0.8mm，长宽为18mm的SiAlCN陶瓷压力薄膜，厚度为1.2mm，长宽为18mm的SiAlCN陶瓷体。

6、在SiAlCN陶瓷压力薄膜的内侧表面中心点用聚酰亚胺胶带保护以预留一开口，长宽分别为9mm和宽0.9mm。通过丝印的方式在SiAlCN陶瓷表面镀一层25μm厚的铂胶，经除胶后获得内侧面带有耦合激励端口的SiAlCN 陶瓷压力薄膜。

7、陶瓷体内表面金属化，步骤与6相同。

8、SiAlCN陶瓷压力膜与SiAlCN陶瓷体键合，通过多次将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘结剂进行多次烧结，直至形成封闭腔，实现压力传感器的制备。

实施例3

1、取10g聚乙烯基硅氮烷和0.8g的仲丁醇铝，混合后在空气中80℃磁力搅拌24h得到混合液体，将混合液和0.8g I819光引发剂混合，然后将混合液放到可加热磁力搅拌器上搅拌，80℃温度下以800rad/min的转速搅拌1h.得到淡黄色混合液。

2、将得到的淡黄色混合液倒入锡箔纸盒中，然后放在250w的紫外灯下进行交联1h，交联固化后得到淡黄色固态含铝聚乙烯基硅氮烷。

3、将得到的淡黄色固态含铝聚乙烯基硅氮烷用球磨机进行球磨。选用的球磨机为QM-1SP2行星式球磨机，球磨时的转速为350rad/min，球磨时间为 6h，每半小时反转一次。球磨后得到粉末。

4、分别取0.5g、1g和2g球磨后得到的粉末直接加入长宽分别为 20mm*25mm的可加热温控方形模具中进行加热压片，50℃温度下10MPa保压 5s，得到陶瓷薄膜、体素坯片。

5、将陶瓷素坯片进行烧结。在干净的刚玉坩埚内分别放入陶瓷薄膜素胚和陶瓷体素胚，在放陶瓷薄膜素胚的坩埚底部垫好石墨纸并铺上少许SiAlCN 陶瓷粉末，然后将陶瓷薄膜素坯片埋入陶瓷粉内，再将坩埚分别放入高温管式炉中进行烧结，在高纯N₂气氛下以0.2℃/min的升温速度，从室逐步温升至400℃，400℃保温4h后再以0.2℃/min的速度升温至800℃，随后自然冷却到室温，得到陶瓷压力薄膜及陶瓷体。

6、将得到的陶瓷薄膜和陶瓷体进行退火。在高温管式炉中进行烧结，高纯N₂气氛下以1℃/min的升温速度，从室温升至1400℃，1400℃保温4h 后自然冷却到室温，最终得到厚度为0.8mm，长宽为18mm的SiAlCN陶瓷压力薄膜，厚度为1.2mm，长宽为18mm的SiAlCN陶瓷体。

7、在SiAlCN陶瓷压力薄膜的内侧表面中心点用聚酰亚胺胶带保护以预留一开口，长宽分别为9mm和宽0.9mm。通过丝印的方式在SiAlCN陶瓷表面镀一层25μm厚的铂胶，经除胶后获得内侧面带有耦合激励端口的SiAlCN 陶瓷压力薄膜。

8、陶瓷体内表面金属化，步骤与6相同。

9、SiAlCN陶瓷压力膜与SiAlCN陶瓷体键合，通过多次将先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘结剂进行多次烧结，直至形成封闭腔，实现压力传感器的制备。

综上所述，本实用新型的平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器是由通过 SiAlCN薄膜和SiAlCN体通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘合剂经过多次烧结后达到键合目的形成压力腔；在键合前在SiAlCN薄膜和 SiAlCN体的表面采用丝印方式形成金属谐振腔；在丝印的同时用聚酰亚胺保护形成信号传输用的开槽天线。其最高温度可达1400℃，压力测量范围为 0-8MPa。

需要说明的是，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器，包括压力传感器，其特征在于压力传感器设有正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜，在方形或者矩形非晶态SiAlCN压力薄膜的内表面设有耐高温金属层，方形或者矩形非晶态SiAlCN压力薄膜的内表面设有耦合激励天线与外界进行信号传输；压力传感器设有正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷体块，在正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷体块的内表面设有耐高温金属层镀有金属层的SiAlCN压力薄膜和SiAlCN体材料通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝混合液作为粘合剂经过多次烧结后达到键合目的形成压力腔。

2.如权利要求1所述一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器，其特征在于所述正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜长宽为5-20mm，厚度为0.3-1mm。

3.如权利要求1所述一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器，其特征在于所述耐高温金属层是指熔点超过1000℃的金属层；所述耐高温金属层的厚度为25-60μm。

4.如权利要求1所述一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器，其特征在于所述方形或者矩形非晶态SiAlCN压力薄膜的内表面耦合激励天线长宽为0.6mm-12mm，共面波导传输线工作频段为6-17 GHz。

5.如权利要求1所述一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器，其特征在于所述方形或者矩形非晶态SiAlCN体材料长宽为5-20mm，厚度为3-10mm。

6.如权利要求1所述一种平膜结构SiAlCN无线无源压力传感器，其特征在于所述方形或者矩形非晶态SiAlCN体材料与正方形或矩形非晶态SiAlCN陶瓷压力薄膜通过先驱体聚乙烯基硅氮烷和仲丁醇铝作为粘合剂经过多次低温烧结完成键合。