阅读说明：本技术 一种高温电涡流位移传感器的制作方法 (Manufacturing method of high-temperature eddy current displacement sensor ) 是由 翟敬宇 崔得位 刘冲 李经民 丁来钱 刘济铭 万光勋 于 2021-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明属于传感器技术领域,公开了一种高温电涡流位移传感器的制作方法。本发明采用低温共烧陶瓷作为基体材料,介电损耗和热膨胀系数小,适宜在高温环境中使用。通过在陶瓷基体上打孔、通孔填充银浆和层压实现上下层的连接。采用干法刻蚀和湿法刻蚀技术结合制作Si模具,使用Si模具在陶瓷表面纳米压印得到导体路径的微通道,通过涂银浆、光刻和显影技术得到线圈金属导体。最后通过对齐、等静压、切割和烧结得到最终的感应探头。采用高温氧化铝陶瓷和无机高温胶对探头进行无缝隙封装,实现了探头位置的固定和避免油污等的腐蚀。本发明通过将LTCC技术和MEMS技术有机结合,制作的感应探头灵敏度更高、高温适应性更强以及品质因数更大。(The invention belongs to the technical field of sensors and discloses a manufacturing method of a high-temperature eddy current displacement sensor. The invention adopts low-temperature co-fired ceramic as a base material, has small dielectric loss and thermal expansion coefficient, and is suitable for being used in a high-temperature environment. The connection of the upper layer and the lower layer is realized by punching holes on the ceramic substrate, filling silver paste into the through holes and laminating. And (2) manufacturing a Si mold by combining dry etching and wet etching technologies, performing nano-imprinting on the surface of the ceramic by using the Si mold to obtain a micro-channel of a conductor path, and obtaining the coil metal conductor by silver paste coating, photoetching and developing technologies. And finally, obtaining the final inductive probe through alignment, isostatic pressing, cutting and sintering. The probe is subjected to seamless packaging by adopting high-temperature alumina ceramic and inorganic high-temperature glue, so that the position of the probe is fixed, and oil stain and the like are prevented from being corroded. According to the invention, the LTCC technology and the MEMS technology are organically combined, so that the manufactured inductive probe has higher sensitivity, stronger high-temperature adaptability and higher quality factor.)

一种高温电涡流位移传感器的制作方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，公开了一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器的制作方法。

背景技术

涡流检测是一种非接触式测量方式，电涡流传感器具有良好的灵敏度、线性度和动态特性，抗干扰能力强，不受油污等介质影响，因而在电力、冶金、机械等无损探测领域广泛应用。但在一些恶劣环境下，如发电厂空气预热器测量间隙及航空发动机测涡轮转速，温度很高且腐蚀性强，一般传感器满足不了温度要求，且传统电涡流传感器存在线圈尺寸均一性差、高温下铁氧磁体失效、热变形大以及电磁损耗大等问题。因此一般电涡流传感器的使用温度都不超过200℃，且关于此类的研究很少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温电涡流传感器及其制造方法，用于解决现有技术中电涡流传感器线圈尺寸均一性差、高温铁氧磁体失效、热变形大以及电磁损耗大等问题。

本发明的技术方案：

一种陶瓷基高温电涡流传感器，包括探头组件、外壳组件和高温同轴电缆组件。探头组件包括感应线圈3、低温共烧陶瓷基体2，线圈3是通过在陶瓷基体2表面和内部制作金属导体，并将多层陶瓷层压烧结得到的。外壳组件包括上壳体6和下壳体1，两者通过螺栓连接，壳体内部填充高温绝缘胶以形成密闭环境。高温同轴电缆5通过压接的方式与探头组件的表面电极4连接，通过高温胶和上壳体6的通孔固定位置。

一种高温电涡流位移传感器的制作方法，步骤如下：

步骤1：预处理，使用和生瓷片尺寸相同的2～8mm厚的多孔金属极板压在生瓷片表面，在烘干炉中预处理，可以排出生瓷片的有机胶，避免在后面工序中发生较大的变形，从而影响打孔、金属图形化等关键工艺的精度。

步骤2：生瓷片打孔。按照预先设计的图形在生瓷片指定位置上打通孔，孔径大小、位置精度均直接影响布线密度与基板质量，打孔方式可以是紫外激光打孔和CO₂激光打孔。

步骤3：通孔填充。配置一定浓度的金属浆料并在生瓷片背面涂满，通过设置压力、时间等参数，利用真空负压吸附的方法使通孔填满浆料。负压吸附方法可以是微孔注入法和丝网印刷法。

步骤4：金属模具制作。以金属铝(Al)片作为基体材料，根据设计的图形制作掩膜版，利用掩膜版覆盖在基体表面干法刻蚀出垂直的侧壁，然后利用湿法刻蚀的各向同性，刻蚀出上窄下宽，具有1°～5°脱模斜度的型槽。湿法刻蚀方式可以是浸入式和喷洒式。

步骤5：纳米压印，将制成的金属模具在低温共烧陶瓷基片上纳米压印得到微通道，利用去离子水处理后用惰性气体吹干表面。纳米压印技术可以是热压印和微接触印刷。

步骤6：金属图形化，在低温陶瓷表面旋涂5～30μm厚的感光金属浆料，利用掩膜版在表面光刻出线圈图形、经过显影液的显影和漂洗，烘干后冷却，得到线圈金属导体。金属浆料可以是感光银浆或金浆料。

步骤7：叠片和层压。将有金属化图形和形成互联通孔的生瓷片放入叠片机中，按照设计的顺序对齐堆叠在一起，真空封装后送入层压机中进行等静压，使之成为一个紧密粘结的多层基板胚体。

步骤8：有约束压力辅助烧结。按照设计的尺寸对层压后的多层生瓷片进行热切割以形成单体基片，然后放入烧结炉中，采用陶瓷基板与牺牲层共同烧结法，控制烧结后基板的收缩率；

步骤9：表面处理。为了防止高温下线圈表面被氧化，采用化学镀的方法在线圈表面镀金膜层，为避免线圈表面受挤压磨损发生断路，在顶层增加2～5层的空白陶瓷基体并层压烧结。

步骤10：同轴电缆和电极连接。将线圈表面电极和高温同轴电缆连接的端面打磨平整，采用机械压接的方法固定，保证高温下的可靠性；

步骤11：探头封装。高温陶瓷下壳体的凹槽固定线圈，上壳体通孔固定同轴电缆的位置，上下壳体通过螺栓连接，在壳体内部填充无机高温胶进行无缝隙封装，起到固定位置、抗氧化和抗腐蚀的作用。

本发明的有益效果：

1、一般传感器采用铁氧磁体作为磁芯，高温时磁性失效，增加电磁损耗并带来未知的误差和漂移；当采用空气芯作为线圈磁芯可以避免高温失效的问题，且平面多匝线圈结构可以增加电感值，提高线性测量范围。

2、制作金属模具：利用干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法制作金属模具，工艺可控性好，铝(Al)模具导热系数高、耐磨性强，在压印时变形量小。模具为上窄下宽的结构更有利于脱模和后续微通道的形成。

3、纳米压印得到微通道：使用金属模具在低温共烧陶瓷表面纳米压印出微通道，具有较高的分辨率，不会发生光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象，几乎无差别的将设计的图形转移到基底上。由于微通道的存在使线圈导体的厚度增加，减小了电阻，提高了传感器的品质因数。

4、有约束压力辅助烧结：采用陶瓷薄板与牺牲层共同烧结法，可以控制烧结后基板的收缩率，保证导体图形和通孔的形状精度和位置精度。较小收缩率的基板具有极高的机械强度、抗冲击能力和良好的散热性,能够满足恶劣环境的需求。

附图说明

图1是本发明的传感器整体结构示意图；

图2是本发明的金属模具示意图；

图3是本发明的生瓷片纳米压印示意图；

图4是本发明的感应线圈顶层结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

步骤1：预处理。将生瓷片放入净化间的烘干炉中进行预处理，烘干条件是80℃～100℃，时间20～30min。烘干时在生瓷片表面覆盖5mm厚的多孔不锈钢板，目的是避免生瓷片在排胶收缩时发生较大的变形，从而影响后续打孔、印刷等关键工艺的精度。

步骤2：生瓷片打孔。采用机械冲压，钻孔或激光打孔技术形成通孔，以连接各层LTCC基片并形成导体回路。当通孔直径在100μm以上且批量不高时，采用激光打孔，调节激光功率和移动速度，利用聚焦的激光束将生瓷带上的材料逐层蒸发以形成通孔。此方法操作简单、效率高、经济性好，适合小批量打孔。当通孔直径小于100μm且批量比较大时，采用机械冲孔，制作一个与通孔直径匹配的冲头和冲模，这种方法打孔速度快，精度高，适于大批量生产。

步骤3：通孔填充。LTCC基板通孔填充方法有两种，当通孔直径大于0.3mm时，通常采用丝网印刷法，其过程是制作具有一定目数的丝网，使金属浆料在刮板的作用下通过网孔均匀地沉积在通孔中。但当通孔直径低于0.3mm时，丝网印刷无法很好地满足要求，需要采用微孔填充机来完成通孔填充。通过配备专门注入工具，设置注入压力，注入时间，浆料粘度及填充孔的对准情况等参数，采用负压抽吸的方法，将一定粘度的金、银或铂浆料填充到通孔。填充后的生瓷片需要烘干处理，使孔内金属固化，烘干条件为60℃时烘20～30min。烘干后再用压平机压平。

步骤4：金属模具制作。干法刻蚀：以金属(Al)片作为基体材料，在表面旋涂光刻胶，通过光刻显影得到光刻胶掩蔽层，在干法刻蚀机中刻蚀侧壁和基底垂直的型槽。湿法刻蚀：配置一定比例的磷酸、硝酸、醋酸和去离子水混合溶液，将溶液加热到60℃后喷洒到基体表面开始腐蚀Al，加工得到上窄下宽、具有4°脱模斜度的型槽。

步骤5：纳米压印。将制成的金属模具在陶瓷基片上热压印出微通道，工艺参数是温度60℃，压力100MPa，保压时间5分钟。利用去离子水处理微通道后用氮气吹干表面，

步骤6：线圈导体图形化。在陶瓷基片表面涂金属浆料然后放入阶梯甩胶机，待膜层均匀至20μm后烘干静置。接着将基片放入光刻机进行光刻，保证掩膜版导体通道的位置准确性以提高电路的可靠性。光刻完成后将基片显影，生瓷片被置于旋转机，并且在表面上喷洒显影液在静止的状态下进行显影，显影完成后，需要经过漂洗，烘干后冷却。

步骤7：叠片和层压。将有金属化图形和形成互联通孔的生瓷片放入叠片机中，按照设计的顺序与定位基准对齐堆叠在一起，在一定温度和压力下，使它们紧密粘接，形成一个完整的多层基板坯体。叠片时除严格按照设计顺序外，还要保证压力、温度和位置精度，以确保各层之间图形的精度。将层压后的生瓷片真空封装后送入层压机中进行等静压，热压温度、压力根据基板面积和层数确定。为了避免在烧结过程中产生分层、起泡、开裂等现象，生坯热压过程应该在真空环境中进行，有利于排除气体和提高粘附强度。热压压力应均匀一致，热压压力对坯体烧结时的收缩率有很大影响。压力越大，收缩率越小。压力太小，坯体压合不好，会出现分层，并且收缩率较大，收缩率一致性差；如果热压力过大，则排胶时会起泡分层。真空封装后送入层压机中进行等静压，使之成为一个紧密粘结的多层基板胚体

步骤8：有约束辅助烧结。在有机排胶区(200-500℃之间的区域)LTCC叠层至少保温60min，然后在5-15min内将叠层共烧至峰值温度(通常为850℃)。采用陶瓷薄板与生坯片堆栈共同烧结法，烧成后不必去除，也不存在抑制残留的隐忧。此方法可以实现烧结后LTCC基板零收缩，避免了产生微观和宏观缺陷及在烧结过程中去除聚合物粘结剂，并保证了导体材料的抗氧化作用。

步骤9：同轴电缆和电极连接，将线圈表面电极和高温同轴电缆连接的端面打磨平整，采用机械压接的方法固定，保证高温下的可靠性；

步骤10：探头封装，高温陶瓷下壳体的凹槽固定线圈，上壳体通孔固定同轴电缆的位置，上下壳体通过螺栓连接，在壳体内部填充无机高温胶进行无缝隙封装，起到固定位置、抗氧化和抗腐蚀的作用。