[发明专利]一种SiCN陶瓷无线无源温度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及温度传感器，尤其是涉及一种SiCN陶瓷无线无源温度传感器及其制备方法。

背景技术

涡轮发动机燃烧时内部工作环境非常恶劣，温度极高（>1000℃），现有的温度传感器系统多采用光纤（J.H.Wo,Q.Z.Sun,H.Liu,et.al,Optical Fiber Technology19(2013)289-292）或低频有源的工作方式(M.A.Fonseca,J.M.English,and M.G.Allen,J.Microelectromech.Syst.11(2002)337-343)，在如此恶劣的环境下根本无法正常工作，因而涡轮发动机内部温度场数据严重缺乏，严重限制了航空发动机装备技术发展。同时，现有温度传感器的有线有源系统，不能安装在可动部件（如发动机叶片）上进行工作。因此，急需要开发可应用于恶劣工作环境的耐超高温（>800℃）的无线温度传感器，这种传感器尤其可在发动机叶片上进行工作。超高温温度传感器研发的困境在于耐高温敏感元件的制备和对应的无线信号收集方式的开发。

聚合物先驱体热解法制备陶瓷是利用聚合物先驱体良好的流动性、成型性、可加工性以及结构可设计性等特点，将聚合物先驱体进行高温热解制备先进陶瓷材料的一种新型成型方法。聚合物先驱体热解法制备的陶瓷材料耐高温、抗氧化、耐腐蚀，同时制作过程简便、成本低廉，烧结温度可降低至1000℃，是国际上研究的热点材料。聚合物先驱体聚硅氮烷制备的SiCN陶瓷耐高温、抗腐蚀、耐辐射，是一种新型的半导体材料，更重要的是该SiCN陶瓷在微波频段下的介温特性呈现很好的线性关系，因此该材料可用于开发新型超高温无线无源温度传感器。

发明内容

本发明的目的在于针对现有温度传感器所存在的温敏元件工作温度较低，有线测量难以承受高温腐蚀环境等技术问题，提供可在高温高湿酸碱等恶劣环境下使用的一种SiCN陶瓷无线无源温度传感器及其制备方法。

本发明所述SiCN陶瓷无线无源温度传感器设有圆柱形SiCN非晶态陶瓷温敏元件，在圆柱形SiCN非晶态陶瓷温敏元件的表面设有耐高温金属层并形成谐振腔，在谐振腔表面设有槽天线。

所述圆柱形SiCN非晶态陶瓷温敏元件的直径可为9～15mm,厚度可为1～5mm。圆柱形SiCN非晶态陶瓷温敏元件可通过聚合物先驱体转化法制备，所述圆柱形SiCN非晶态陶瓷可耐1400℃甚至更高的温度。

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可为8～25μm。

当发射信号端给一频率在5～15GHz的宽频微波信号，开槽天线对此信号进行接收，并在谐振腔内共振选频，选频后(谐振频率10.6GHz)的信号又通过开槽天线传送给接收模块电路,完成无线温度传感器信息采集，此传感器通过微波电磁场进行信号的传输，克服布线问题，具有体积小质量轻无须任何供电系统的特点，既能实现高温原位测量，又能实现在可动部件上的测量，大大拓宽了温度传感器的使用范围。

所述SiCN陶瓷无线无源温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）制备圆柱形SiCN非晶态陶瓷温敏元件；

（1）先制备SiCN陶瓷素胚，具体方法如下：

方法1：将先驱体聚硅氮烷与热引发剂过氧化二异丙苯（DCP）混合后，进行热交联，使其由液态的聚硅氮烷变为固态的聚硅氮烷，研磨成粉末后，压成SiCN陶瓷素胚；

方法2：将聚硅氮烷与光引发剂混合后，放入模具中进行紫外交联，得到淡黄色SiCN陶瓷素胚；

方法3：将聚硅氮烷与光引发剂混合后，进行紫外交联后，研磨成粉末后，压成SiCN陶瓷素胚；

（2）在惰性气体保护下，将SiCN陶瓷素胚热解，再退火处理后，得温敏元件SiCN非晶陶瓷体；

2）在温敏元件SiCN非晶陶瓷体上表面的槽天线区域用聚酰亚胺胶带保护，在温敏元件SiCN非晶陶瓷体表面镀金属层，再将聚酰亚胺胶带去除后，所留区域即为收发电磁波信号的槽天线，至此制得圆柱形SiCN陶瓷无线无源温度传感器。

在步骤1）第（1）部分的方法1中，所述聚硅氮烷与热引发剂的质量比可为1∶（0～0.1）；所述热交联的温度可为120～400℃，热交联的时间可为1～4h；所述粉末的粒径可为0.5～2μm。