无线无源PDC-SiCN陶瓷高温压力传感器的温漂特性及性能研究

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伴随着现代化工业和航空航天技术的高速发展,如何实时并准确地检测航空发动机内部环境的压力参数受到了越来越多研究人员的关注。但是由于航空发动机内部工作环境(高温、高振动和强腐蚀)极其恶劣,这对应用于此环境下的压力传感器提出了更高的要求。聚合物先驱体陶瓷(PDCs)作为一种近年来得到广泛关注的陶瓷材料,其具有优异的耐高温性、耐腐蚀性、抗氧化性,并且还具有良好的热机械性能以及可调的电学性能,这使其在高温传感器领域具备广阔的应用前景。但是在PDCs的制备过程中,其内部会产生大量的裂纹和孔洞,这些缺陷会对PDCs的性能产生不利影响。另一方面,与传统的压力传感器结构相比,无线无源结构由于无外部电源和引线以及被动式信号测量的特点,在极端的恶劣环境中表现出一定的优越性。这其中,谐振腔式无线无源压力传感器不仅具有测量精度高、抗干扰能力强等优点,而且具有较高的Q因子,这使其在高温恶劣环境下具备很大的应用潜力。但是谐振腔式无线无源压力传感器在高温下温度和压力会产生耦合效应,造成传感器的温漂特性,不利于压力的精确测量。基于上述研究背景,本文采用PDC-SiCN陶瓷作为压力传感器的材料,按照仿真后确定的传感器最优结构参数,制备出相应的无线无源压力传感器。其中制备过程包括SiCN陶瓷的制备及压力传感器的组装两个步骤。随后,采用先驱体浸渍热解(PIP)技术对SiCN陶瓷进行了致密化处理。三次PIP循环后,SiCN陶瓷的孔隙率从13.34%降至3.24%。拉曼光谱分析表明,致密SiCN陶瓷中自由碳的石墨化程度高于多孔SiCN陶瓷,这直接导致了致密SiCN陶瓷电导率的提高。测试结果表明三次PIP循环后SiCN陶瓷的电导率从3.01E-10S/cm增加到1.28E-08S/cm,增加了近两个数量级。此外,本文研究了无线无源SiCN陶瓷高温压力传感器的高温性能,研究结果表明该压力传感器具有优异的耐高温性及高温下的温漂特性。造成温漂特性的主要原因是SiCN陶瓷的介电常数随着温度升高而增大。然而通过分析可知在相同的温度范围内,PIP-SiCN陶瓷的介电常数变化量小于SiCN陶瓷。对基于PIP-SiCN陶瓷的压力传感器进行高温性能测试可以发现,通过PIP工艺处理,压力传感器的平均零点漂移系数从187.9kHz/℃降至56.5kHz/℃,显著降低了温度对压力传感器的影响。最后,对无线无源SiCN陶瓷高温压力传感器的性能进行了研究,研究结果表明无论在室温或高温下,压力传感器的谐振频率和外加压力均呈近似线性的关系。在800℃下,两组压力传感器的灵敏度分别为6.42MHz/N和6.56MHz/N。此外,压力传感器的无线传输距离较大,并且具有良好的稳定性和重复性,未来有望实际应用于高温恶劣环境中实现压力参数的实时、精确监控。
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