CN1033481A - 利用厚膜电阻器的压力传感器 - Google Patents

Abstract

压力传感器利用由(例如)含上下表面的陶瓷或 者其他类似物质制成的膜片。膜片的一个表面安放 细长的厚膜电阻器。电路系统接到电阻器上以测量 由于应变或加到电阻器上的力所产生的电阻的任何 变化。垂直地加到电阻器长度沿伸方向上的压力以 电阻变化的形式产生高输出，此输出能用作计算纵向 应变，也能计算横向应变。

Description

本发明一般说来与压力传感器有关，特别涉及一种新的、有效的利用厚膜电阻器的传感器。

利用带有应变计的扁平膜片测量压致变形的压力传感器是公知的。（见：Stedman的美国专利3，341，794;Vick的美国专利3，456，226和Von    Vick的美国专利3，505，634）。通常，这些传感器利用扁平的金属或硅膜片，在其上装有薄膜型，粘箔型或硅型应变计，把应变片安置在膜片上以感应中心区的拉伸，切向应变和膜片外缘处的压缩、径向应变。

如图1和图2所示，圆柱形陶瓷膜片1在一定位置上装有许多用来感应径向应变的厚膜电阻器2。靠近圆片中心装有感应切向应变的厚膜电阻器3。图3和图4表示在膜片6上定位的电阻器4和5。电阻器的定位要使得由它们测量的应变平行于电阻器的纵轴（如图4所示）。最后所得电阻器在尺寸上要受到膜片尺寸的限制。P表示对膜片施加压力的方向。

将应变计接在惠斯登电桥线路中，使得电桥的相邻支路感受相反符号的应变，结果对传感器的输出产生相加的效应。近来，把带有印刷网屏和烧结厚膜电阻器的陶瓷膜片用作压力传感器引起了兴趣（见：Prudenziati的美国专利4，311，980和“The    Thick    Film    Strain    Gage”（厚膜应变计），Howard    A.Nielsen，Jr，ISA    32nd    InternationalInstrumentation    Symposivm，Paper    Session    4，7    May    8，1986）。这些陶瓷/厚膜传感器的设计方式十分类似于在它们之前的，即带有装在惠斯登电桥线路中的电阻器的传感器的设计方式。

人们知道厚膜电阻器对所谓“猝发噪声”的问题是敏感的（见：“Physical    Model    of    Burst    Noise    in    Thick    Film    Resistors”（厚膜电阻器中猝发噪声的物理模型），T.M.Chem    and    J.G.Cottle，Solid    State    Electronics，Vol.29，No.9，PP865-872，1986”;和“Characteristics，Sources    and    Minimization    of    Thick    Film    Resistor    Burst    Noise”（厚膜电阻器猝发噪声的特征、来源及其极小化），J.G.Cottle    and    T.M.Chen，ISHM    Proceedings    of    the    International    Symposium    on    Microel-ectronics，1986，PP.835-839）。此现象能在陶瓷/厚膜压力传感器的输出信号中引起数值大于0.15%工作幅宽的噪声。已经证明采用低电阻率和大尺寸的厚膜电阻器可以减小猝发噪声。在压力传感器的应用中，希望取高电阻来减小电能消耗。厚膜电阻器的电阻由下式给定：

R＝ (L)/(Wt)

式中R是电阻，

是电阻器材料的电阻率，L是电阻器的长度，W是电阻器的宽度，t是电阻器的厚度。要得到高电阻，需要高电阻率的电阻器材料或者大面积的电阻器，也就是需要又长又窄的电阻器。由于希望低噪声和高电阻，必须将低电阻率的厚膜材料用于大面积，即又长又窄的电阻器上。

厚膜电阻器的电阻变化是电阻器面积上的平均应变的函数。要得到最大输出，电阻器要紧挨着膜片的中心或者接近膜片的外缘，以便使得电阻器感受的平均应变水平达到最大限度。要容纳以前采用的惠斯登电桥线路中的四个长又窄的电阻器，并使电阻器上的平均应变保持足够高的水平以获得好的输出，需要大的膜片。由于膜片上的应力按半径平方的函数增加，故大膜片有高应力，这是人们不希望的。在小膜片上没有足够地方安置利用又长又窄的电阻器的全部电桥来获得好的噪声性能。一半或四分之一电桥比所希望的有较小的输出。

在已有技术中，除非膜片有很大尺寸，在膜片上没有地方来安置这类电阻器。当膜片尺寸变得较大时，膜片上的应力按半径平方的函数增加，从膜片强度观点出发这是不希望的。

在已有技术中，厚膜电阻器的输出是由于陶瓷膜片上在平行和垂直于应变片轴线方向上的径向和切向应变所造成的。厚膜电阻器迄今利用了平行于电阻器轴线方向的电阻器的应变系数和垂直于电阻器轴线的应变系数。受到应变的厚膜电阻器的电阻变化至今由下式决定：

式中， 是由平行于电阻器长度的应变引起的电阻变化，是垂直于应变片长度的应变引起的电阻变化，GFt是垂直于应变片长度的电阻器应变系数，GF_L是平行于应变片长度的电阻器应变系数，e_x是平行于应变片长度的应变。见：J.Phys.D;Applied Physics，Vol.12，1979，pp.L51-53“Strain Sensitivity in Film and Cermet Resistors：Measured and Physical Qvantities”（陶瓷合金膜电阻的应变灵敏度：可测量的物理量），Morten et al;

IEE    Transactions    on    Components，Hybrids    and    Manufacturing    Technology，Vol.CHMT-3，No.3，Sept.1980，PP.421-423“Strain    Sensitivi-ty    in    Thick    Film    Resistors”（厚膜电阻器的应变灵敏度），Canali，et    al;

“Strain    Sensitivity    of    Thick    Film    Resis-tors”（厚膜电阻器的应变灵敏度），J.S.Shah    IEEE    Transactions    on    Compon.Hybrids    and    Manufac-turing    Technology，Vol.CHMT-3，No.4，1980，pp.410-420;

“Changes in Thick Film Resistor Valves Due to Substrate Flexure”（由于衬基挠曲引起的厚膜电阻值的变化），P.J.Holmes，Microelectronics and Reliability_iVol.12，1973，pp.395，以及

“Strain    Characteristics    of    Thick    FilmResistors    and    Its    Application    to    a    Strain    Sensor”（厚膜电阻器的应变特性及其在应变传感器中的应用）Osamu    Abe    and    Yoshiaki    Taketa，IMC，1986    Proceedings，1986，pp.282-285。

本发明在保持好的噪声特性和陶瓷膜片上低应力的同时，利用了厚膜电阻器有特殊意义的法向应变灵敏度来增加输出。厚膜电阻器的总电阻变化可从下式得到：

(dR)/(R) ＝C_xe_x+C_ye_y+C_ze_z+e_x-e_y-e_z

式中C_x，C_y及C_z是电阻器纵向，横向和法向应变电阻率系数，e_x，e_y和e_z是电阻器纵向、横向和法向应变。本发明利用了电阻器的法向灵敏度，采用使电阻器直接受到被测压力作用的方法来增加压力传感器的输出。

本发明的一个实施例利用了在膜片中心径向定位并受到被测压力作用的单个电阻器。电桥的完成是在外部或在传感器无应变部分进行的。在此配置中，测量电阻器除测量由于压力所产生的法向应变外还测量电阻器面积上的径向和切向应变。这些应变可计算如下：

$e_x=\frac{1}{\mathrm{Es}}[\frac{3P}{{8h}^2}(\left({1-r}^2\right)a^2+({3r}^2-3)X^2)-\mathrm{rP}]$ $e_y=\frac{1}{\mathrm{Es}}{i}^2\frac{3P}{{8h}^2}(\left({1-r}^2\right)a^2+(r^2-1)X^2)-\mathrm{rP}]$ $e_Z=\frac{1}{\mathrm{Er}}{i}^2{P-r}^{\′}\left(\frac{3P}{{8h}^2}(\left({1-r}^{\′}\right)2a^2-\left(1-r^{\′}\right)4X^2)\right)]$

式中e_x，e_y和e_z是径向，切向和法向应变，P是所加压力，γ和γ′是衬底和电阻器的泊松比，a是膜片半径，E_r、E_s是电阻器和衬底的杨氏模量，h为膜片厚度，X是电阻器所在地的半径（见：“Pressure Comonent Construction”，John F.harvey，Van Nostrand Reinhold，1980）。

因此，本发明的目的是提供一种压力传感器和测量压力的方法，该方法利用了有上下表面的膜片，在膜片的一个表面上，至少装有一个厚膜电阻器。为了测量由于在薄片上、特别是在厚膜电阻器上作用有垂直压力而引起的厚膜电阻器电阻的任何变化，提供了电路装置。环形拉伸的厚膜电阻器也能用在膜片上，就像许多基本上沿膜片上相同，的方向延伸并至少包括一些环形部分的厚膜电阻器一样。

本发明的另一个目的是提供一种设计简单、结构坚固、制造经济的压力传感器。

在构成本说明书一部分的附图中和说明书中，图上所示的各参考数字相同的指同样或对应的零件。

图1是按照已有技术利用载有薄膜电阻器的陶瓷圆片的压力传感器的平面图;

图2是图1的侧视图;

图3是另一个已知技术的利用厚膜电阻器的传感器的平面图;

图4是图3的示意大小的剖面图，表示出跨越膜片的切向和径向应变分布;

图5是根据本发明的一个实施例的压力传感器的顶视图;

图6是图5的侧视图，表示压力加在装有厚膜电阻器的膜片一侧的一种配置;

图7是类似于图6的视图，表示加压力的另一种配置;

图8是本发明的第二个实施例的平面图;

图9是根据本发明的为切向应变片和径向应变片绘制的电阻变化对半径的曲线图;

图10是本发明的第三个实施例的平面图;

图11是本发明的第四个实施例的平面图;

图12是本发明的第五个实施例的平面图。

详见附图，体现在图5，6和7中的发明由带上下表面的圆片形膜片10的压力传感器组成。厚膜电阻器20被安置在一个表面上，并被连接到用示意图表示的电路30上，以测量厚膜电阻器的电阻变化。

对于所给定的膜片和厚膜电阻器材料，在测量电阻器材料的系数C_x，C_y和C_z之后，可求得电阻变化 (dR)/(R) 。为此，可以在电阻器上完成三个确定应变与输出关系的试验，然后同时解这三个输出方程式。这已经在Dupont制造的具体的电阻器材料上进行了，并得到下面的系数：

C_x＝25.3 C_y＝23.5 C_z＝11.5

对于为利用图7配置测量7500磅/（英寸）²而设计的膜片，这里被测压力未加到厚膜电阻器上，相对输出为4。对于同样的膜片如厚膜电阻器材料，但采用图6的配置，这里被测压力加到厚膜电阻器上，相对输出为12.5。

已经得到厚膜电阻器的法向灵敏度是线性的并且是可重复的，无阻滞现象。因此，本发明可供高精度，低噪声如低应力（坚固）的压力传感器之用。电阻器材料的成分是Dupont“Birox”1441。

通常，电阻器材料有电介质组分和导电组分。电介质组分可以含有硼硅酸盐、铅硼硅酸盐、铝硅酸盐或者铅硅酸盐型的玻璃，带有可能小的氧化物杂质，如：CdO（氧化镉，Ca₂，O₃或Al₂O₃（三氧化二铝）。导电组分可以是贵金属（Ag（银），Au（金），Pb（钯）），或者是氧化物或者是它的混合物，或者是贵金属的导电氧化物。

由于采用了低电阻率和较大尺寸的厚膜电阻器，本发明能减小陶瓷-厚膜压力传感器中的猝发噪声。目前可得到的带有约5000欧电桥电阻的陶瓷-厚膜压力传感器的试验表明，噪声电平高达满刻度输出的0.15%。低电阻率，较大尺寸和5000欧电阻的厚膜电阻器，如本发明利用的电阻器那样，已经作了试验并得知有满刻度输出的0.025%噪声电平。

由于增加了厚膜电阻器的输出，由于利用了它的法向灵敏度，低的膜片应力是必要的。这增加了传感器的安全系数以实现过压保护。例如，假定有一个采用厚膜电阻器测量7500磅/（英寸）²而设计目陶瓷膜片。为了获得输出等于由带全部惠斯登电桥和0.100英寸厚的膜片的已有技术所得到的输出，本发明可采用0.150英寸厚的膜片。这就使得膜片更坚固以防在过压事件中被破坏。

若要求低的功耗，而又保持最大膜片应力和输出水平不变时，可以用较大噪声作为代价来增加厚膜电阻率。

图8指出本发明的第二个实施例，在那里，膜片12在靠近膜片外径的地方装有环形厚膜电阻器22。此电阻器也被连接到用于测量电阻变化的电路上。由于径向和切向应变是反号的，结果使输出稍低。然而，此配置可供长又窄的电阻器之用。在扁平膜片的任何一点上，沿径向或切向定位的厚膜电阻器的输出示于图9。总的输出是上述方程式在电阻器面积上的平均值。本发明利用了厚膜电阻器能感受任意方向上的应变的能力。在已有技术的压力传感器中曾被定向来测量径向应变的外层应变片，现在被定向来测量沿电阻器轴线的切向应变和垂直于电阻器轴线的径向应变（见图10）。由于成形的电阻器在膜片的外缘形成了环形区域。这就导致长的环形电阻器的dR/R与定向成测量径向应变的短电阻器的dR/R相类似，因之，电桥的输出与已有技术压力传感器的输出相类似。这种定向方式与以前的配置相比，可以供更长的、更高电阻的，更低电阻率的，和较小噪声的电阻器之用。

知道厚膜电阻器易感受平行和垂直于电阻器轴线的应变意味着据图9所希望的dR/R能选择其他的电阻器配置方案。可以构成采用任何配置的电阻器的惠斯登电桥。为实现使输出达到最大值的目标，应将电阻器安置在中心和外缘处有最大平均绝对dR/R值的膜片位置上。具有适当大小和符号以给出类似于已有技术输出的dR/R的长窄电阻器的其他定位方式包括图11和图12所示的配置。由选择惠渐登电桥相同支路所希望的dR/R，到图9去找出适当的半径和电阻器方向，记住电阻器将平均电阻器面积上的dR/R，就能得到其他的配置。

图10表示装有外层和内层厚膜电阻器24和34的扁平膜片14，尽管外层厚膜电阻器24是环形的，这些电阻器的取向都基本上相同。

图11表示在膜片16上带有内层环形厚膜电阻器36和外层C形厚膜电阻器26的实施例。

图12表示带有内层C形厚膜电阻器38和外层环形和C形厚膜电阻器28的实施例。

虽然为了说明本发明应用的原理，详细地指明和描述了本发明的具体实施例，应该理解的是本发明可在没有偏离上述原理的情况下按其他方式实施。

Claims (12)

1、一种压力传感器，它包括：

有上下表面的膜片；

在上述膜片表面之一上至少一个厚膜电阻，上述厚膜电阻器在长度方向上受到拉长；

供测量因压力加在垂直于上述长度方向轴线上所产生的上述厚膜电阻器电阻变化的电路装置。

2、按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：在上述膜片上实质上包括唯一的厚膜电阻器。

3、按照权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：上述厚膜电阻器具有环形形状，上述膜片有外径，上述厚膜电阻器被配置在靠近上述外径。

4、按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：上述膜片的上述上下表面是圆的，并包含许多全部安置在上述膜片表面之一上的厚膜电阻器，全部上述厚膜电阻器基本上在彼此平行的方向上被拉长。

5、按照权利要求4所述的电力传感器，其特征在于：上述厚膜电阻器包含第一对靠近上述一个表面中心，沿水平长度方向并且彼此平行地延伸的电阻器，和一对安置在靠近上述膜片外径的外层部分环形形状的厚膜电阻器。

6、按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：上述膜片的至少上述一个表面是圆的，并有外径和中心区域，上述压力传感器包含一对靠近上述中心区域的环形电阻器和一对靠近上述外径的C形电阻器。

7、按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：上述厚膜电阻器可以是任何形状的。

8、按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：上述所加的压力是垂直于上述厚膜电阻器的表面。

9、利用膜片测量压力的方法，至少装有一个沿上述膜片上的轴向延伸的厚膜电阻器，其特征在于：该方法包括将上述膜片定位使得压力垂直于轴向;测量由于上述垂直作用的压力所产生的上述电阻器的电阻任何变化。

10、按照权利要求9所述的方法，其特征在于：该方法包括下式计算电阻变化来测量电阻变化这一步骤;

(dR)/(R) ＝c_xe_x+c_ye_y+c_ze_z+e_x-e_y-e_z

式中C_x，C_y和C_z是相应的厚膜电阻器的纵向，厚膜电阻器的横向和厚膜电阻器的法向上的应变的电阻率系数，e_x，e_y和e_z是相应的纵向，横向和法向上的应变。

11、按照权利要求10所述的方法，其特征在于：该方法包括按下列方程式计算纵向、横向和法向应变这一步骤;

$e_x=\frac{1}{\mathrm{Es}}[\frac{3P}{{8h}^2}(\left({1-r}^2\right)a^2+({3r}^2-3)X^2)-\mathrm{rP}]$ $e_y=\frac{1}{\mathrm{Es}}{i}^2\frac{3P}{{8h}^2}(\left({1-r}^2\right)a^2+(r^2-1)X^2)-\mathrm{rP}]$ $e_Z=\frac{1}{\mathrm{Er}}{i}^2{P-r}^{\′}\left(\frac{3P}{{8h}^2}(\left({1-r}^{\′}\right)2a^2-\left(1-r^{\′}\right)4X^2)\right)]$

式中e_x，e_y和e_z是径向，切向和法向应变，P是所加的压力，γ和γ′是衬底和电阻器的泊松比，a是膜片半径，E_r和E_s是电阻器和衬底的杨氏模量，h是膜片厚度，X是电阻器所处位置的半径。

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