[发明专利]一种薄膜型压力传感器及其制备方法

说明书

本发明实施例公开了一种薄膜型压力传感器，其特征在于，包括：绝缘基底和绝缘盖片；所述绝缘基底的表面和内部空腔中均包括蛇形状排列的压阻陶瓷薄膜，其中，所述绝缘基底的内部空腔中的压阻陶瓷薄膜不受力，在使用时接入全桥电路中。本发明实施例用立体光固化增材制造技术将聚合物打印为蛇形图案并热解为陶瓷薄膜，蛇形图案是为了增加压阻传感的有效物质；在空腔内用相同电阻的压阻材料制备一个不感受压力的相同蛇形图案，连接到全桥电路中，作为温度补偿；以绝缘的氧化铝/石英复合陶瓷材料为基底，将前驱体陶瓷(PDCs)制备于该基底上，氧化铝材料提供绝缘性和耐高温性，石英材料提高与硅基前驱体陶瓷的结合强度。

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其是一种薄膜型压力传感器及其制备方法。

背景技术

发动机是整架飞机的心脏，其工作过程要求发动机控制系统能在任何环境和工作状态下稳定、可靠运行，并且充分发挥性能效益。其中，传感器是获取前端信息最重要的工具，传感器的信息可靠性决定着发动机控制系统的运行质量。发动机的气体压强信号，是航空发动机控制系统测量的重要参数之一，用于发动机的推力管理、喘振检测和状态监控等目的。不同发动机可能有着不同的压力测量点，但因为传统的压力传感器体积大，使用温度不够高，均无法原位测量气体压强。目前使用较多的是将气体从压力测量点通过管路引到发动机电子控制器(EEC)，再通过放置于EEC上的压力传感器测量气体压强，由此估算燃烧室压力，从而控制推力级别和计划燃油流量。这种传递过程中，难免有一些压力损失和压力传递延迟。航空发动机使用的压力传感器要求高可靠性、高精度，目前多使用硅压阻式传感器和硅微机械谐振式压力传感器。但是上述传感器只能用到350℃。以SiC为压阻材料的传感器最高使用温度为600℃。新一代航空发动机在效率和推力方面有很大的提高，涡轮发动机燃烧室的温度已达到1500℃以上，涡前温度1000-1500℃，尾喷管处也大于500℃，对发动机内部的数据监测和对压力传感器的耐温性能要求进一步提高。

新型聚合物前驱体陶瓷(Polymer-derived ceramics,PDCs)具有良好的高温热稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性，工艺上的易成型性。典型的PDCs是非晶态，陶瓷的固体结构受到前驱体聚合物的影响很大。PDCs表现出良好的半导体特性，材料的电导率随测试温度的升高逐渐增大。SiCN陶瓷的半导体效应可保持至高达1300℃，远远高于以SiC为代表的晶态半导体。此外，它在超过1000℃高温下仍然具有压阻特性，且一些PDC的压阻系数可以超过10³，远远高于Si(K＝37.5)和SiC(K＝30)常用的压阻陶瓷，在制备高温压力传感器方面优势显著。

PDCs的前驱体是聚合物，可从合成源头上进行分子设计，且可以通过调控前驱体达到对陶瓷的结构、成分、性能的调控。此外，大多数PDCs的前驱体是液态聚合物，拥有优异的流变性，能够采用挤出、注射、纺丝、模塑等众多加工方式，易加工性是其天然优势。因此，低维复杂形状的PDCs，可先通过聚合物的方法成型，然后再将其转化为陶瓷精密部件。增材制造的兴起，更是弥补了原有的微加工方法在复杂形状制作上的不足。硅碳氮陶瓷(SiCN)、硅硼碳氮陶瓷(SiBCN)的前驱体聚硅氮烷(PSN)和聚硅硼氮烷(PSNB)的增材制造有很多种方法，包括墨水直写技术(DIW)和立体光固化成型(SLA)。SLA对前驱体有一定的要求：有足够数目的光敏基团提供固化反应，且需要合适的光引发剂和光吸收剂来引发固化反应以及控制光渗透的深度。因此商用的前驱体不能直接用于SLA。常用的改进途径有：(1)对已商业化的陶瓷产率(Ceramic yield)高的前驱体进行化学改性，接枝丙烯酸/乙烯基等光敏基团；(2)将高陶瓷产率的前驱体与光敏树脂进行混合。这种方式较为简单且容易实现，但可能导致混合后体系的陶瓷产率降低；(3)从合成源头入手，由低分子量的光敏性前驱体共聚反应得到聚合物前驱体。