[0001] 本发明涉及探测器技术领域，具体涉及一种高温高响应压力传感器结构及其制备方法。

[0002] 在航空发动机设计、制备和试验中经常会进行脉动压力的测试，在发动机的实际运行中进行脉动压力测量可以准确的评估发动机的性能，为评估压气机、涡轮机的工作效率和稳定性提供数据支撑。航空发动机运行时给脉动压力测试造成了高温、高压、强冲击、强振动等极端环境，所以对传感器的极端环境适应性、稳定性、灵敏性和抗干扰性等都提出了较高的要求。

[0003] 目前，用来测量这种航空发动机类似的极端环境中压力的方法有电类和光学类方法两类。电类压力测量方法主要使用压电陶瓷作为传感器材料，此类技术较为成熟，具有成本低、精度高等优点。但是因为压电陶瓷在超过居里温度时发生相变而失去压电性能，所以电类脉动压力传感器工作温度一般不超过500℃。光学类压力测量方法主要使用光纤法珀感知压力，具有结构简单、尺寸小、无电类引线、抗电磁干扰等优点。但是同样的缺点是由于此类传感器使用不同的材料制成，在组装的时候使用胶粘工艺，在高温环境中，会出现结构热膨胀系数不同导致的温度压力交叉敏感，粘胶在高温下的蠕变导致腔长改变等现象。所以这类传感器仍然不能满足航空发动机中高温高频响脉动压力的高速高精度测量的需求。

[0004] 现有技术中还存在一种光学类高温高频响的航空发动机脉动压力传感器，采用在插芯端面蚀刻焊料槽，通过焊料连结膜片和插芯，可以避免粘胶在高温下的蠕变现象，大大提高了传感器的测量精度。但是由于使用的焊料为激光器焊接，使用温度不超过750℃。但是航空发动机脉动压力测试环境有时需要在800℃以上甚至更高温度下测量，因此，需要进一步提高航空发动机脉动压力传感器使用温度。

[0049] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0050] 如图1所示的一种高温高响应压力传感器结构。该传感器结构包括支架1和安装在所述支架1中的感压组合体；所述感压组合体包括插芯5、安装在所述插芯5中的传输光纤2以及焊接连接在所述插芯5一端的膜片4。

[0051] 如图2所示，所述插芯5为陶瓷插芯，该插芯包括具有内腔的圆柱体结构；所述内腔包括依次同轴设置且相连通的引导段502和光纤容置段501。所述光纤容置段501为圆柱形腔体；所述引导段502为圆台状腔体；所述引导段502与所述光纤容置段501相连的一端的直径小于所述引导段502另一端的直径。插芯5起保证光纤与膜片的相对位置固定、支撑膜片的作用。

[0052] 如图1所示，所述传输光纤2位于所述内腔中，所述传输光纤2的一端穿过所述引导段502封装在所述光纤容置段501中且该端的出光面与所述插芯5与所述膜片4相连的一端的端面相平齐。传输光纤2起到位移传感信号传输作用，传输光纤2首端穿过引导段502后，封装在光纤容置段501中；整个结构中传输光纤2的出光面与法珀腔端面平齐。

[0053] 如图3所示，所述膜片4包括脉动压力作用膜401和一端与所述脉动压力作用膜401相连的环形盖402。膜片整体为凹型结构，起感压作用。所述环形盖402的另一端与所述插芯5焊接相连。所述环形盖402与所述插芯5相连的一端设置有第一金属化层。环形盖402布置在脉动压力作用膜401的内表面。膜片4安装在插芯5的首端；插芯5的首端端面顶抵在环形盖402内表面，通过焊料3将插芯5与膜片4粘合。插芯5、膜片4和焊料3采用相同或相近制作材料。所述插芯5、传输光纤2和膜片4共同组成感压组合体。所述膜片4采用多层共烧陶瓷方法制备，脉动压力作用膜401为1层或多层生瓷片，环形盖402通过数片生瓷片开圆形腔。第一金属化层是在1层开圆形腔生瓷片印制圆环形金属导体，然后分别由底到上叠层压力作用膜层、圆形腔层、印制圆环形金属导体的圆形腔层，经温水等静压后，使用激光切割出外形，然后共烧形成。其中生瓷片可以为LTCC生瓷片，此时金属导体可以为金、银、铜等，生瓷片还可以为HTCC生瓷片，此时金属导体可以为钨、钨钼等，然后进行化镀镍层。

[0054] 如图1所示，所述膜片4、所述传输光纤2的出光面以及所述插芯5与所述膜片4相连的一端的的端面共同围成法珀腔。所述插芯5与所述环形盖402相连的一端设置有第二金属化层503。所述插芯5通过焊料3与所述环形盖402焊接相连。所述插芯首端端面上其中首端端面使用厚膜印刷或薄膜溅射做第二金属化层503。焊料3，起到将含金属化层的膜片4及含金属化层的插芯5焊接在一起的作用，焊料可以为金锡焊片、银铜焊片等。

[0055] 进一步的，所述脉动压力作用膜401包括1层或多层第一陶瓷片；所述环形盖402包括多个叠层设置的第二陶瓷片；所述第二陶瓷片中间开设有圆形腔。所述膜片4采用多层共烧陶瓷制备工艺制备而成。所述第一陶瓷片为LTCC生瓷片，所述第一金属化层及所述第二金属化层503的材质为金、银或铜；或者，所述第一陶瓷片为HTCC生瓷片，所述第一金属化层及所述第二金属化层503的材质为钨或钨钼且所述第一金属化层及第二金属化层503镀有镍层。

[0056] 如图4所示，所述支架1包括中空圆管结构，其一端开口，另一端设置有端盖101；所述端盖101上设置有供传输光纤穿过的通孔102。支架1起支撑传感结构、保证气密性及便于安装作用。

[0057] 上述高温高响应压力传感器结构的制备方法包括以下步骤：

[0058] (1)脉动压力作用膜的制作

[0059] 选取1层或多层第一生瓷片依次叠层放置，作为脉动压力作用膜401。

[0060] (2)环形盖的制作

[0061] 选取多层第二生瓷片，分别在各个第二生瓷片上开设相应的圆形空腔，将开设圆形空腔后的各个第二生瓷片依次叠层设置，在最后一层第二生瓷片的表面沿该第二生瓷片的圆形空腔外延印制第一金属化层，得到具有第一金属化层的环形盖402。

[0062] (3)激光划片与共烧处理

[0063] 先将脉动压力作用膜401和具有第一金属化层的环形盖402叠层放置，进行激光划片处理，切割成设定的形状，再进行共烧处理形成初始膜片，最后在第一金属化层上进行化学镀镍层处理，从而得到膜片4；第一生瓷片共烧后得到第一陶瓷片，第二生瓷片共烧后得到第二陶瓷片。在步骤(3)中，先将脉动压力作用膜401和具有第一金属化层的环形盖402叠层放置，再进行温水等静压处理，然后使用激光切割出外形，最后进行共烧处理后得到膜片。

[0064] (4)插芯的处理

[0065] 在插芯5的一端进行厚膜印刷金属浆液形成第二金属化层503，烧结后对该金属化层进行化学镀镍层处理，得到插芯5。

[0066] (5)装配

[0067] 首先，采用焊接工艺将膜片4与插芯5焊接固定；然后，将传输光纤2插入插芯5，使传输光纤2的出光面与插芯5与膜片4连接的一端的端面平齐，在传输光纤2的另一端点UV胶固化；最后，在插芯5表面刷UV胶使其与支架1装配固化，从而形成高温高响应压力传感器结构。

[0068] 实施例1

[0069] 使用生瓷片制作膜片，将1层63微米生瓷片作为第一层脉动压力作用膜，将5层127微米生瓷片开直径2.1mm圆形空腔，在最后一层表面沿圆形空腔外沿印内经2.1mm，外经2.9mm银浆，叠层后使用激光划片，然后850℃共烧形成初始膜片，再将银金属化层进行化学镀镍层，形成膜片。浆外购氧化锆陶瓷插芯的首端进行厚膜印刷银浆，烧结后将银金属化层进行化学镀镍层，形成插芯。然后将膜片与插芯通过模具固定，使用银铜钎焊工艺焊接在一起。光纤插入陶瓷插芯，使传输光纤的出光面与插芯的首端端面平齐，在尾端点UV胶固化。
将插芯表面刷UV胶与支架装配固化，形成一个高温高响应压力传感器结构。所述生瓷片为KD148型。

[0070] 实施例2

[0071] 使用生瓷片制作膜片，将1层63微米生瓷片作为第一层脉动压力作用膜，将5层127微米生瓷片开直径2.1mm圆形空腔，在最后一层表面沿圆形空腔外沿印内经2.1mm,外经2.9mm金浆，叠层后使用激光划片，然后850℃共烧形成膜片。将外购氧化锆陶瓷插芯的首端进行薄膜工艺做金层，形成插芯。然后将膜片与插芯通过模具固定，使用金锡焊工艺焊接在一起。光纤插入陶瓷插芯，使传输光纤的出光面与插芯的首端端面平齐，在尾端点UV胶固化。将插芯表面刷UV胶与支架装配固化。形成一个高温高响应压力传感器结构。所述生瓷片为KD148型。

[0072] 实施例3

[0073] 使用92氧化铝HTCC生瓷片，将1层130微米生瓷片作为第一层脉动压力作用膜，将2层260微米生瓷片开直径2.15mm圆形空腔，在最后一层表面沿圆形空腔外沿印内经2.15mm,外经3.00mm钨浆，叠层后使用激光划片，1570℃共烧形成初始膜片,然后将钨金属化层进行化学镀镍层，形成膜片。浆外购氧化铝陶瓷插芯的首端进行厚膜印刷钼锰浆，烧结后将银金属化层进行化学镀镍层，形成插芯。然后将膜片与插芯通过模具固定，使用银铜钎焊工艺焊接在一起。光纤插入陶瓷插芯，使传输光纤的出光面与插芯的首端端面平齐，在尾端点UV胶固化。将插芯表面刷UV胶与支架装配固化。形成一个高温高响应压力传感器结构。所述92氧化铝HTCC生瓷片为NHC型。

[0074] 航空发动机的脉冲压力测试是在高温、高压、强冲击、强振动等极端环境下进行，提高压力传感器特别是在这种极端环境下的应用一直以来都是这类传感器设计和制造的技术难题。目前各类脉冲压力传感器的测试原理和类型大同小异。中国专利ZL202211155292.7中公布了一种高温高响应压力传感器，可以实现700℃的高温测量，但是其制备工艺中存在很多问题，最明显的就是靠焊料融化将两种不同材料粘结在一起的工艺并不成熟，在寻找一种焊料可以将二者粘在一起并且熔融温度合适、粘结力又好的焊料比较困难，甚至难以找到。本发明通过技术手段的改变进行设计和制备方法上的优化达到更好效果也是创新。本发明在原有设计基础上进行设计优化，不改变整体设计方案和结构，是为了方便与现有信号采集与解调系统互联共用，方便数据的采集与分析。本发明采用多层陶瓷工艺制备膜片，将膜片和陶瓷插芯金属化后再使用钎焊工艺进行焊接。多层陶瓷工艺及钎焊工艺在现有技术中常被用来做陶瓷电路板或陶瓷管壳，在压力传感器制备中应用存在技术难点，不是本领域技术人员容易想到的技术手段。

[0075] 本发明所述的高温高响应压力传感器结构最高使用温度提高到800℃以上。本发明与中国专利ZL202211155292.7具有实质性的区别。首先是结构不同，中国专利ZL202211155292.7中的膜片具有嵌插凸缘和微结构，陶瓷插芯部分具有嵌接缺口和焊料槽，这样设计不仅结构复杂，还存在结合不牢固、气密性差等不足，并且焊料槽的形式使焊料的量不好控制，多了焊料容易流淌，少了粘接不牢。本发明通过在膜片和陶瓷插芯上做了金属化，直接在两个平面之间放置焊料连接膜片与插芯，焊料的用量容易控制，而且这样能够保证膜片与插芯的连接更加牢固，且大大提高了气密性。本发明通过简单的结构，即实现了更牢固、气密性更好的技术效果。其次，材料和制备工艺不同。中国专利
ZL202211155292.7中的干压结构部分的材料不同，所使用的材料为多种，存在不完全一样的热膨胀系数，在温度变化时结构具有不稳定性，同时使用的焊料原理是高温熔融后，将膜片和陶瓷插芯粘结在一起，熔融温度很难满足要求，难以将二者很好地粘在一起，粘结比较困难。本发明采用陶瓷金属化工艺制作膜片，采用钎焊工艺将膜片和陶瓷插芯焊接在一起，结合力是经过过一系列国军标考核的。再次，使用功能不同。由于结构、材料及制备工艺的不同，就决定了制备成地压力传感器结构的最高使用温度具有实质性的区别，本发明的使用温度远大于现有技术，能够满足高温情况下的测试。

[0076] 综上所述，本发明所述的高温高响应压力传感器结构由多层金属化共烧陶瓷制备工艺制备出膜片(含金属化层)、支架、传输光纤、插芯(含金属化层)、焊料组成。在保留光学类法珀腔优点的同时，使用多层金属化共烧陶瓷制备工艺制备出膜片(含金属化层)可以通过生瓷片的厚薄控制脉动压力作用膜的厚度，从而控制传感器的灵敏度，同时通过焊料的选择达到高温下使用的目的。

[0077] 以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。