CN102928133B - 一种陶瓷电容式压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷电容式压力传感器，涉及静电电容式压力传感器及其制造工艺。目前，静电电容式压力传感器是在两片陶瓷基板的表面分别设置平板电极，使两电极隔开一个微小的间隙平行相对，并将两片平行陶瓷基板固定为一体，构成一个平板电容器，通过测试压力下电容的变化，检测出压力的大小。极板间的距离决定电容的大小，从而影响压力检测的精度，因此必须精确控制电极间距离。本发明在两平板之间放置环状的低温共烧陶瓷生片(LTCC)，然后将三者叠在一起，用夹具夹紧，在一定温度下烧结为一体，保证了极板间的精确距离和压力检测精度。

Description

一种陶瓷电容式压力传感器

技术领域

本发明涉及静电电容式压力传感器及其制造工艺。

背景技术

目前，静电电容式压力传感器是在两片陶瓷基板的表面分别设置平板电极，使两电极隔开一个微小的间隙平行相对，并将两片平行陶瓷基板固定为一体，构成一个平板电容器。上述基板受到外部压力，在板厚方向会产生弹性弯曲，导致静电电容值变化，检测这一电容值的变化，即可得出上述基板所受的外部压力。

因为极板间的距离决定电容的大小，而初始电容决定于极板间初始距离，为保证检测精度均匀，必须精确控制电极间距离。为此有几种方法用于控制极板间隙。例如：在两个基板中间加入陶瓷小球或者树脂小球，以保证规定的电极间距，这些方法见特开平5-288623号或者特开平10-111206号。

又例如：特开平D-240500公报中发表了预先在极板间设置不连续的等高的间隔墩。然后在间隔墩外围涂覆熔点低于间隔墩的熔结物，在适当温度下熔化熔结物，将两基板粘结在一起，可以精确控制极板距离，但有一个缺陷，熔结物在熔化时会从隔离墩之间流入另一侧，固化后导致支撑基极膜片的支点距离不均匀，难以获得均匀的检测精度。

再例如，中国专利03131277.2，针对上述间隔墩不连续造成支点不均匀的问题，在电极周围设置环状间隔墩，在间隔墩外侧设置熔点低于间隔墩的熔接物，从而保证支点间距离均匀一改

上述D-240500的方法，用小球解决间隔墩精度问题，但无法避免熔接物流动的问题，专利03131277.2的方法，要制作环状间隔墩，而环状间隔墩厚度的精确控制本身也是一个难题。

发明内容

为克服上述工艺缺陷，确保电极间的精确距离，本发明采用以下新的的工艺方法：

在两片基板相对面上设置规定的平板电极，在两平板之间放置环状的低温共烧陶瓷生片(LTCC)，然后三者叠在一起，用夹具夹紧，再用热压或者热等静压的方法使之初步连接在一起，施加的压力为5～30Mpa，加热温度60～80℃，持续时间5～20分钟，然后将温度调升至450～550℃，保持60～90分钟，排除LTCC生陶瓷片中的有机溶剂，再升温到800～900℃，保温30～60分钟，使三者完全烧结在一起。

LTCC材料是由玻璃与陶瓷混合而成，添加增塑剂、粘合剂、分散剂、溶剂，通过流延方法可制成10～150微米厚度的LTCC生陶瓷薄膜带，采用20～50微米厚度的薄膜夹持在两层陶瓷基板中，经过800～900℃环境中烧结后，LTCC生陶瓷薄膜烧结成玻璃-陶瓷共熔体，其中的玻璃成分把上下平行基板熔接为一体，LTCC薄膜在基板的平面(X-Y)方向收缩受限，只能在Z方向收缩。Z方向收缩率可通过材料成份和工艺措施调整，一般在20％～30％范围，收缩率精度可控制在到3％以内，对于基板间距离的精度要求一般已经足够，可以获得很高的初始电容精度；同时X-Y方向因受陶瓷基板限制，收缩率在1％以内，接近零收缩，支点间距(即环形隔离墩的内径)不变，能获得很高的检测精度。

LTCC低温共烧陶瓷作为陶瓷基板之间的隔离和密封材料，既能保持电极间距离精度足够高，且隔离墩位置不会偏移，又能将上下两片陶瓷基板紧密连接为一体，保持密封，由此保证了压力检测精度均匀一致。

另外，由于LTCC薄膜片可以高精度地加工成任意大小形状或任意图形，可以制成基板面积的很小的小型静电电容式压力传感器。

附图说明：

附图1.a陶瓷盖板平面图

b陶瓷基板平面图

附图2.a陶瓷盖板剖视图

b陶瓷基板剖视图

c陶瓷电容式压力传感器剖视图

附图3.a陶瓷盖板平面图

b陶瓷基板平面图

c陶瓷电容式压力传感器剖视图1

附图标注：(1)陶瓷盖板(2)盖板电极(3)引线焊盘(4)环形隔离墩(5)基板电极(6)盖板电极焊盘(7)基板电极焊盘(8)环形电极焊盘(9)环形电极(10)陶瓷基板(11)盖板定位缺口(12)基板定位缺口(13)密封腔

具体实施方式：

如附图1.所示：图1a中，(1)为陶瓷盖板，它是两片陶瓷基板中较薄的一片，厚度只有0.2～1.2mm，压力传感器受到外部压力，主要是陶瓷盖板在板厚方向会产生弹性弯曲。圆形的陶瓷盖板表面用丝印或真空溅射的方法，制成一层0.2～0.6μm厚的金属电极，即盖板电极(2)，电极(2)旁边连接引线焊盘(3)。陶瓷盖板(1)的边缘设有盖板定位缺口(11)。

图1b中，(10)为陶瓷基板，它是两片陶瓷基板中较厚的一片，厚度为3-6mm。圆形的陶瓷基板表面用同样的方法，制成一层0.2-0.6μm厚的金属电极，即基板电极(5)，和围绕电极(5)的环形电极(9)；基板电极(5)旁边连接基板电极焊盘(7)；环形电极(9)连接着环形电极焊盘(8)。盖板电极焊盘(6)位于环形隔离墩(4)的外侧，也被陶瓷薄膜所包围，与盖板电极的引线焊盘(3)位置相对。

焊盘(6)、(7)、(8)都是通过金属化过孔连接的上下双焊盘，在焊盘(7)、(8)的上焊盘印刷阻焊剂，防止锡液流入，形成凸起。

环形隔离墩(4)围绕在环形电极(9)的外面，与环形电极同心，隔离墩的厚度为20～50μm，视压力传感器规格大小而定。陶瓷基板(10)的边缘设有基板定位缺口(12)，使陶瓷盖板与陶瓷基板准确对位。

图2a所示为陶瓷盖板的剖视图，(1)为陶瓷盖板，下面与之紧贴的是盖板电极(2)，盖板电极(2)与陶瓷盖板(1)同心。

图2b所示为陶瓷基板的剖视图，(10)为陶瓷基板，上面与之紧贴的是基板电极(5)，基板电极与陶瓷基板同心；基板电极(5)连接着基板电极焊盘(7)。环形电极焊盘(8)连接着环形电极(9)，环形电极(9)围绕在基板电极(5)的周围；环形隔离墩(4)围绕在环形电极(9)的周围，与环形电极(9)同心。

图2c所示为陶瓷压力传感器的剖视图，陶瓷盖板(1)通过环形隔离墩(4)与陶瓷基板(10)紧密连接在一起，形成密封的扁平空腔；盖板电极(2)与基板电极(5)、环形电极(9)隔着微小的间隙平行相对，形成对外部垂直压力敏感的静电电容。

图3a为陶瓷盖板，与图1a不同的是，图形逆时针旋转了90度，定位缺口(11)朝右。

图3b为陶瓷基板，与图1b不同的是，图形顺时针旋转了90度，定位缺口(12)朝右。

图3c所示为陶瓷压力传感器的剖视图1，与图2c所不同的是，剖面是通过定位缺口(11)、(12)和焊盘(3)、(6)的，由图3c中可见焊盘(6)与焊盘(3)之间的空隙被LTCC陶瓷薄膜所包围密封，形成密封腔(13)，在此密封腔内灌注导电连接材料可以连接焊盘(6)和(3)，且导电连接材料不会流到基板平面以外，避免电极短路。

Claims (5)

1.一种陶瓷电容式压力传感器，由相互平行的陶瓷盖板和陶瓷基板在相对的表面设置平板电极，陶瓷盖板和基板之间夹有环形的LTCC陶瓷薄膜制成的隔离墩，陶瓷盖板和基板以及隔离墩烧结在一起，其特征在于所述的陶瓷电容式压力传感器制作工艺为：在陶瓷盖板和陶瓷基板相对面上设置规定的平板电极，在陶瓷盖板和陶瓷基板之间放置环状的低温共烧陶瓷生片(LTCC)，然后三者叠在一起，用夹具夹紧，再用热压或者热等静压的方法使之初步连接在一起，施加的压力为5～30Mpa，加热温度60～80℃，持续时间5～20分钟，然后将温度调升至450～550℃，保持60～90分钟，排除LTCC生陶瓷片中的有机溶剂，再升温到800～900℃，保温30～60分钟，使三者完全烧结在一起。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器，其特征在于：上述隔离墩薄膜的厚度为20～50微米，围绕在电极周围。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷电容式压力传感器，其特征在于：所述的隔离墩(4)围绕在环形电极(9)的外面，与环形电极同心。

4.根据权利要求3所述的一种陶瓷电容式压力传感器，其特征在于：陶瓷基板上的焊盘(6)与盖板电极的引线焊盘(3)位置相对，且被陶瓷薄膜所环绕，两焊盘之间的间隙被LTCC陶瓷薄膜所包围密封，灌封在此密封腔内的导电连接材料可以连接焊盘(6)与引线焊盘(3)，又不会流到基板平面以外，防止相互短路。

5.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器，其特征在于：上述平板电极的焊盘(6)、(7)、(8)都是采用金属化过孔连接的上下双焊盘，在焊盘(7)、(8)的上焊盘印刷阻焊剂，防止锡液流入，形成凸起。