本发明涉及一种高温物理参量传感器件，具体涉及一种基于电磁超材料的无线高温温度传感器及其制备方法。
背景技术：
高温传感是监控、探测和维护冶金炉、陶瓷成型炉、火电站、核电堆、深海采油钻头所迫切需要的信息技术和监控能力之一。这些场合存在极端的高温，如炼钢炉、陶瓷成型炉内温度均在600℃以上，有时甚至高达2000℃以上。这些系统在工作时除了极端高温，还存在巨大压力，甚至高达20mpa以上。压力在炉内、电堆内、钻头端面非均匀分布，与位置、燃气速度等紧密相关。实时全面的了解炉内、电堆内、钻头的温度、压力是设计与控制高性能金属冶炼炉、陶瓷成型炉、电堆、钻头并对其进行安全监控的前提，这就要求仪器与测试技术行业提供相应的耐高温的温度和压力传感器件与系统。
在超高温环境中，现有基于电子信号的有源器件无法工作。硅等半导体在温度超过400℃时即失效，甚至器件本身在极高温度下被氧化、烧焦而失效；同时数据读取端与参量敏感端连接线在高温下性能退化，因此其信号的传输成为高温传感器工作的关键问题之一。另外高温环境下电源耐高温、电源更换、维护将是一件极为艰难的任务。因此现在在高温等恶劣环境中多采用无线无源传感技术。如基于lc谐振互感耦合的无线无源温度传感器。其工作原理是：当敏感头所处环境温度时，温度变化导致基底材料的材料特性变化，进而导致lc电路的谐振频率改变，从而将温度大小的变化转化为谐振频率的变化，利用温度敏感头自身电感线圈耦合一定距离之外的电感天线，最后对天线接收到的信号进行检测分析，得出远端敏感结构上的温度值大小。然而此种无线无源温度传感器存在传感距离短、信号损失大(品质因数q低)等问题，因此目前有人提出采用微波贴片天线式无线无源传感技术解决超高温恶劣环境下的压力探测问题。微波贴片天线式无线无源压力传感器相对于lc谐振互感耦合式无线无源温度传感器，具有传感距离大、信号损失低的优势。微波贴片天线无线无源压力传感器在超高温环境下应用时，通常以耐高温陶瓷为基底材料，此贴片天线在温度变化时，材料特性将发生改变，从而导致整个贴片天线的谐振频率变化，因此通过贴片天线采集其谐振频率变化信息发射出去，即可获得环境温度，此即微波贴片天线式无线无源温度传感器基本构成和工作原理。
目前采用的贴片天线测温方案中，存在需要在基底上下两面均加工金属问题，加工比较复杂、也增加了加工环节，不利于快速制备。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种基于超材料的无线高温温度传感器及其制备方法，采用当前微波领域的新技术之一——电磁超材料技术用于环境温度参量无线测量，电磁超材料可以在一面加工实现，因此通过超材料集成无线信号传输技术，可以在保证实现高温温度参量无线测试的同时简化加工。同时电磁超材料有利于与信号传输单元集成时可以降低信号传输单元的体积和提高其传输效率，有利于信号传输单元的小型化和高增益。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于电磁超材料的无线高温温度传感器，包括基底以及设置在基底上方的温度参量敏感单元和信号传输单元；
所述温度参量敏感单元采用电磁超材料结构，用于将高温环境中的温度参量转换为微波频率、相位、反射功率等信息形式；
所述信号传输单元用于接收来自于普通环境的外来微波询问宽带信号和发射高温环境温度参量信息，与所述温度参量敏感单元相连，处在同一平面上；所述信号传输单元为圆形、方形、环形或复杂形状平面天线、偶极子天线、喇叭天线或反射面天线；信号传输单元由耐高温金属或合金制成，如铬、铂、钯、钨金属中一种及相关合金，如银钯合金；
所述基底用于为所述温度参量敏感单元和信号传输单元提供支撑载体，所述温度参量敏感单元和信号传输单元均附着在其一个表面上。
优选地，所述信号传输单元还可以与处在普通环境中的信号询问、记录单元无线通讯，将温度参量敏感单元提取的温度参量信息无线发送给处在普通环境中的信号询问、记录单元。
优选地，所述电磁超材料结构采用平面闭环谐振结构、平面开环谐振结构或者互补平面开环谐振结构；由耐高温金属或者合金制成，如铬、铂、钯、钨中一种。
优选地，所述基底由氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化硼、蓝宝石、石英、镁铝尖晶石、或ltcc与htcc工艺制备的陶瓷基材等中的一种制备所得。
其中，所述高温环境为温度大于150℃以上的高温环境；所述普通环境即我们生活的常温常压环境。
本发明还提供了上述一种基于电磁超材料的无线高温温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
s1、基于目标基底材料和预先选定的工作频率，设计电磁超材料结构、信号传输单元类型、形状和尺寸以及基底形状、尺寸；
s2、依据设计的超材料结构和信号传输单元类型、形状和尺寸，加工相应的图案网版供后续丝网印刷用；
s3、完成基底的加工，在其上放置网版，然后采用丝网印刷耐高温金属浆料形成超材料结构图形和信号传输单元图形，阴干、梯度烧结，即得。
本发明具有以下有益效果：
1)采用电磁超材料结构作为敏感单元，可以与信号传输单元共面集成，避免出现贴片天线式无线温度传感单元的双面金属加工的问题，减少了加工环节，降低加工复杂性，有利于提高传感器件生产效率；
2)电磁超材料结构设计可以提高信号传输单元传输效率和降低其尺寸，从而可以使信号传输单元小型化并高增益辐射。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于电磁超材料的无线高温温度传感器的结构示意图。
图2为图1a-a向的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种基于电磁超材料的无线高温温度传感器，包括基底3以及设置在基底上方的温度参量敏感单元1和信号传输单元2；
所述温度参量敏感单元1采用电磁超材料结构，用于将高温环境中的温度参量转换为微波频率、相位、反射功率等信息形式；所述电磁超材料结构采用平面闭环谐振结构、平面开环谐振结构或者互补平面开环谐振结构；由耐高温金属或高温合金制成，如铬、铂、钯、钨中一种。
所述信号传输单元2用于接收来自于普通环境的外来微波询问宽带信号和发射高温环境温度参量信息，与所述温度参量敏感单元相连，处在同一平面上；所述信号传输单元为圆形、方形、环形或复杂形状平面天线、偶极子天线、喇叭天线或反射面天线；所述信号传输单元2还可以与处在普通环境中的信号询问、记录单元无线通讯，将温度参量获取单元提取的温度参量信息无线发送给处在普通环境中的信号询问、记录单元。信号传输单元由耐高温金属或合金制成，如铬、铂、钯、钨金属中一种；
所述基底3用于为所述温度参量敏感单元和信号传输单元提供支撑载体，所述温度参量敏感单元和信号传输单元均附着在其一个表面上。所述基底由氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化硼、蓝宝石、石英、镁铝尖晶石、或ltcc工艺制备的陶瓷基材等中的一种制备所得。
实施例1
一种基于超材料的无线高温温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
s1、基于目标基底材料和预先选定的工作频率，设计电磁超材料结构、信号传输单元类型、形状和尺寸以及基底形状、尺寸；
s2、依据设计的电磁超材料结构和信号传输单元类型、形状和尺寸，加工相应的图案网版供后续丝网印刷用；
s3、采用现有市售耐高温熟瓷片进行基底的加工，直接采用机械加工成型成设计的形状和尺寸；在其上放置网版，然后采用丝网印刷耐高温金属浆料形成电磁超材料结构图形和信号传输单元图形，阴干；放入高温烧结炉中梯度烧结；再丝网印刷、阴干、烧结，重复多次直至达到设计厚度；抛光打磨所得图案；即得到所述的无线高温温度传感器结构。
实施例2
s1、基于目标基底材料和预先选定的工作频率，设计电磁超材料结构、信号传输单元类型、形状和尺寸以及基底形状、尺寸；
s2、依据设计的电磁超材料结构和信号传输单元类型、形状和尺寸，加工相应的图案网版供后续丝网印刷用；
s3、采用ltcc工艺进行基地加工，则先购买市售耐高温生瓷带，其上安置网版，然后采用丝网印刷耐高温金属浆料形成电磁超材料结构图形和信号传输单元图形，阴干；层压、热切，然后梯度共烧；即得到所述的无线高温温度传感器结构。
以所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。