CN1042858C - 微小极间距电容式力敏传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微小极间距的电容式力敏传感器以及其制造方法，属物理测量仪器技术领域。传感器由膜片，边框、定极板、可动极板和支架等各部分组成。采用熔封玻璃或其它粘结材料按需要把传感电容两极板精确固定在几微米到几十微米的距离上。传感器正常工作时，熔封玻璃或其它粘结材料不额外受力，没有应变，因而对传感器的工作没有任何影响。利用本发明的方法，可以制出多种体积小、灵敏度高、迟滞小、量程宽、温漂小的电容式力敏传感器。

Description

微小极间距电容式力敏传感器及其制造方法

本发明涉及一种微小极间距的电容式力敏传感器，属物理测量仪器技术领域。

目前已有的电容式力敏传感器种类繁多，制造工艺多种多样，如英国专利GB2189607A。其结构如图1所示，图中101是边框，102为间隔环，103为波纹膜，104为可动极板，105为定极板，106为印刷线路底板。其制造方法是用螺钉通过印刷线路板压紧间隔环来确定定极板与可动极板之间的间距。这种制造方法的优点是由于波纹膜片非常灵敏，使两极板之间可以保持较大距离而不丧失传感器应有的灵敏度。但其缺点是波纹膜对材料要求高，制造困难，而且不耐腐蚀。近年来人们一直努力用无弹性迟滞的材料(如陶瓷、兰宝石、石英、单晶硅)制造的平膜片来代替波纹膜片。在使用平膜片时，传感电容极间距离最好保持在几微米到几十微米，此时，用机械定位方法完全不适用，因为只要某一个螺钉稍微用力一拧，就可能使两极板短路。

本发明的目的是设计一种新型的制造方法，用刚性粘结材料(如熔封玻璃、钎焊料)直接精确固定传感电容的两极板，并使极板之间保持微小间距。并设计一种新的传感器结构，使粘结材料在传感器工作时不发生应变，从而能够用此方法制造出多种结构、多种用途、体积小、精度高、漂移小的力敏传感器。

本发明的内容是微小极间距电容式力敏传感器由膜片、边框、定极板、可动极板和支架等各部分组成。边框沿膜片四周与膜片封成一体，其内表面镀有导电层。定极板和可动极板的一侧都镀有导电层，可动极板用导电玻璃熔封材料将其封在膜片的圆心部位。支架封在边框上，定极板用玻璃熔封材料将其封在支架上，定极板上的导电层和可动极板的导电层相对。

微小极间距电容式力敏传感器的制造方法可分下列几个步骤：

1．研磨出膜片，膜片的形状可以是平片，也可以是四周带有厚边的平片，四周的厚边可代替边框。膜片的材料可以是陶瓷、兰宝石、石英、单晶硅等。如果用单晶硅制膜片，可采用p-n结自致停腐蚀的方法形成四周带厚边的平膜片。

2．用静电封结的方法或用一薄层熔封玻璃将膜片与边框封结到一起。

3．用真空镀膜的方法在边框和膜片的内表面蒸镀一层导电层。导电层可以是镍膜。

4．用导电玻璃熔封材料将一面已蒸镀上一层金属膜的可动极板封在膜片内表面的圆心部位。导电熔封玻璃材料分别与膜片上的导电层和可动极板的导电层相接触，从而保证膜片与可动极板相通。

5．在可动极板上设置隔垫物。隔垫物可以是钨丝，也可用与极板导电层不发生化学反应的其它物质如NaCl来代替。NaCl可用真空蒸镀的办法通过掩膜蒸镀在所需部位，待封结完成后，用去离子水洗去。在某些实施例中，隔垫物可淀积在支架或边框端面而不需除去。如在支架上形成凹坑。

6．在隔垫物上叠放定极板，定极板一侧的导电层与可动极板表面的导电层相对。

7．将支架放在定极板上。

8．在支架与定极板、边框的相接处涂上熔封玻璃。

9．将整个工件放入炉内并升温至400～600℃，使熔封玻璃充分熔化。

10．降温后取出工件，将隔垫物除去，在导电层3和导电层8的适当部位焊上引线，就制成本发明设计的电容式力敏传感器。

使用本发明的方法制造的传感器，即使电容极板面积大到5cm²以上，膜片厚度仅几十微米，也可以将两极板间的距离控制在几微米到几十微米。这样就提高了传感器的灵敏度，降低了膜片在工作时的负荷水平并可以减小传感器的尺寸。本发明的另一效果是熔封材料在传感器工作时不发生应变，因而可以使传感器在很宽的量程内克服迟滞效应，使传感器能长期稳定工作而不发生漂移。

附图说明：

图1是已有技术结构示意图。

图2～图6为电容式力敏传感器制造过程示意图。

图7～图14是本发明的八个实施例。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。图2～图6中，1是膜片，2是边框，3是边框2及膜片1内表面的金属导电层，4是可动极板，5是可动极板4上的导电层，6是导电熔封玻璃材料烧结成的支柱，它把导电层5和导电层3相连通，7是中间带孔的定极板，8是定极板7上的导电层，9是连结定极板7和边框2的长方形支架，10是熔封玻璃，11是作隔垫物用的细钨丝。

图7是本发明的一个实施例。图中13是环形参考电极，14是电极13上的导电层，15是用作隔离电极的金属导电层。

膜片1的中心部分较园周部分薄得多。在测量过程中，膜片中心部分起可动极板的作用。本实施例的制造方法与图2-图5所示的工艺流程基本相同，用作隔垫物的钨丝要同时将定极板7与环形参考电极13和导电层3隔开。膜片1是用(100)硅片采用p-n结自致停腐蚀法制造的。膜片1与边框2的封结则用静电封结的办法，也可用熔封玻璃封结。

图8是本发明的第二个实施例。图中16是轴向支架。其制作工艺与图7所示的实施例相同。这是一种称重用电容式力敏传感器。当外力施于其上时，发生形变的是边框2，边框2的变形引起膜片1的位移，因此膜片1相当于传感器中的可动极板。边框2的长度、厚度、材质依称量范围而定。为了提高灵敏度，边框2一般较长，因而支架9下面又增加了轴向支架16。支架16的热膨胀系数应仔细选择，用来补偿传感电容自身及外部驱动电路的温度漂移。

图9是本发明的第三个实施例。这是一种简易型力敏传感器，其制造工艺流程与图2-图6的方法基本相同。在蒸镀导电层3时，应该用掩膜盖住膜片1的中心部位，熔封可动极板4时，用作隔垫物的钨丝应置于可动极板4与膜片表面之间以确保微小间距。定极板由膜片1靠近周围部位的内表面上的导电层代替。当边框内径为20mm时，可动极板的中心孔直径为1mm，已具有足够强度。而且由于支柱处于圆心部位，膜片1形变时，它实际上不发生可察觉的形变。因而支柱不影响传感器的工作。

图10是本发明的第四个实施例。这是一种双层大电容量传感器。它的上下两个定极板7用导电熔封玻璃直接封结到边框2上，两个可动极板4用导电熔封玻璃封结到表面带有导电层17的圆柱形支架9上。为使导电层17与导电层3相通，在支柱的根部涂有银浆。这种力敏传感器的制作工艺与图2～图6的方法基本相同。先封好支架9，然后把几根带直角弯头的铝丝隔垫物放到膜片1的表面，铝丝弯头贴住膜片内表面，其余部分贴着边框2的内壁并向上伸出。将表面已涂好导电层和Nacl的定极板放入边框2内。定极板的周边有几个轴对称的缺口，铝丝正好通过这些缺口。用导电熔封玻璃涂在定极板与边框的相接处。将四周已涂好导电层的可动极板通过支架9放到定极板上，并在支架和可动极板的相接处涂好导电熔封玻璃。重复上述步骤，放置上层定极板和动极板。将整个工件升温熔封，降温后除去铝丝，并用水洗净NaCl层，脱水处理、烘干，即完成制作。

图11是本发明的第五个实施例。图中18是钎焊层，19是膜片1内侧的柱状凸起。这是一种测量绝对压力用的力敏传感器。它的制作工艺与图2～图6所示的传感器基本相同。紧贴在厚圆板形支架9上的定极板7是用熔封玻璃10固定的。通过精确控制定板极7的厚度与边框2的高度，可保证动极板4与定极板7的微小间距，最后用钎焊层18来密封边框2和支架9，钎焊料可用铟等软金属。钎焊料的延展性配合边框的足够厚度，可把边框2与支架9因热膨胀系数不一致而造成的温度漂移降到可忽略的程度。从图11可见，本实施例中，膜片1内侧的柱状凸起19及膜片1与边框2实为一体，这三者都是用厚度和直径与外边框尺寸相同的硅圆柱机械研磨出来的，这样做可最大限度减少传感器的迟滞漂移，进一步提高传感器的精度。圆板形支架9可用11#玻璃制造。用直径为1～0.5毫米的钨杆穿透支架9并与其真空密封，以便把由两个极板适当位置上的引线连到真空室外。

图12是本发明的第六个实施例。图中，20是钨丝，21是熔封玻璃，22是银浆层。该实施例是一种简易型绝对压力传感器。它的制造方法与图2～图6近似，只是它的可动极板被省去，而由膜片1代替，可动极板导电层由边框2及膜片上的导电层3代替。膜片1上的导电层3位于边框2之外侧。定极板导电层8直接位于支架9的凹坑内。该传感器的制造工序最后一道是钎焊，钎焊在真空炉中进行。当钎焊料例如铟熔化并降温凝固后，形成钎焊层18，钎焊层18把支架9与膜片1密封并形成真空室。钎焊层18与动极板导电层3的外围部分接触，所以它同时也是动极板导电层3的引出线。钎焊层的延展性及厚边框的刚性可以把支架9与膜片1因热膨胀系数差异而造成的温漂减少到可忽略的程度。支架9凹坑的直径大于边框直径，以提高传感器的重复性。

图13是本发明的第七个实施例。这是一种称重用传感器，其制作工艺与图2～图6所示的传感器基本相同，其结构与第六个实施例基本相同，它的膜片1、边框2及膜片上的柱状凸起19是用整块硅圆柱机械研磨出来的，这样可提高其传感精度。所需测量的重力施加在柱状凸起19上。该实施例的传感器可用来测量绝对压力，而且精度比第六个实施例大大提高。在用作称重传感器时，它的腔室应与外界大气相通。

图14是一种差动式电容力敏传感器，它的动极板4被导电熔封玻璃6固定在由膜片中心凸起的支架9上。支架9上的导电层和模片1及边框2内侧的导电层连通，故可动极板4上的导电层5通过导电熔封玻璃6与导电层3连通。定极板7的导电层8分别和两动极板导电层5形成两个相等的传感电容。当膜片在外界压力下内凹或外凸时，这两个电容分别减小和增大相同量值。图14中所示的定极板7是带多个缺口的圆形薄片，它由绝缘材料如特硬玻璃制成，上面蒸镀上圆形定极板导电层8，其制作过程与图9所示的电容量传感器基本相同，只是省去了一个动极板，并把上面的定极板导电层8置于与动极板4上的表面导电层5相对的位置。两定极板的引线分别通过定极板上的缺口引出。这种差动式电容力敏传感器的特点是传感电容均在模片一侧，便于在潮湿、含灰尘或腐蚀性气体的条件下使用。

Claims (11)

1、一种微小极间距的电容式力敏传感器，包括膜片、边框、定极板、可动极板，其特征在于还包括支架，所述的边框沿膜片四周与膜片封成一体，或者边框与膜片本身为一个整体；边框和膜片的一侧表面镀有导电层；所述的可动极板的一侧表面镀有导电层，并用导电玻璃熔封材料将可动极板封在所述的膜片的圆心部位；所述的支架封在边框上，所述的定极板的一侧表面镀有导电层，并用导电玻璃熔封材料将定极板封在所述的支架上；定极板上的导电层与可动极板的导电层相对。

2、如权利要求1所述的力敏传感器，其特征在于所述的膜片相对于边框薄得多；所述的定极板和边框之间设置有环形电极；参考电极板的一侧镀有导电层。

3、如权利要求1所述的力敏传感器，其特征在于其中所述的定极板和边框之间设置有环形参考电极，所述的支架包括横向支架和轴向支架，轴向支架设置在横向支架和定极板之间。

4、如权利要求1所述的力敏传感器，其特征在于其中所述的边框和膜片的圆周部份镀有导电层；所述的可动极板用熔封玻璃将其封结在膜片的圆心部位，可动极板园周附近的侧面镀有导电层。

5、如权利要求1所述的力敏传感器，其特征在于其中所述的支架为园柱形，支架的表面镀有导电层，支架与膜片封在一起；所述的定极板有二个以上，中心带孔，一侧镀有导电层，定极板与边框封在一起；所述的动极板有二个以上，中心带孔，表面镀有导电层，动极板与支架封在一起；定极板与动极板相互间隔设置。

6、如权利要求1所述的力敏传感器，其特征在于其中所述的支架为厚圆板形，所述定极板的一个端面紧贴在支架一侧平面上，并用熔封玻璃固定；边框与支架之间用钎焊密封。

7、如权利要求1所述的力敏传感器，其特征在于其中所述的支架为带凹坑的厚圆板形，定极板导电层位于此凹坑内，边框与定板板用钎焊封结。

8、如权利要求1所述的力敏传感器，其特征在于所述的支架为带凹坑的厚圆板，定极板导电层位于凹坑内，边框与定极板用钎焊封结膜片上带有凸起。

9、如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的动极板由导电熔封玻璃固定在从膜片中心凸起的支架上，支架上的导电层和膜片及边框内侧的导电层连通；所述的定极板是带多个缺口的圆形薄片，上面蒸镀上导电层，该导电层与动极板上的导电层处于相对位置，两定极板的引线分别通过定极板上的缺口引出。

10、一种制造如权利要求1所述的力敏传感器的方法，其特征在于制造过程包括以下各步骤：

(1)用机械研磨或p-n结自致停腐蚀的方法制造膜片；

(2)用静电封结的方法或使用熔封玻璃将膜片与边框封结到一起；

(3)用真空镀膜的方法在边框和膜片的一个表面蒸镀一层导电层；

(4)用导电玻璃熔封材料将一面已蒸镀上一层金属膜的可动极板封在膜片内表面的圆心部位；

(5)在可动极板上设量隔垫物；

(6)在隔垫物上叠放定极板；

(7)将支架放在定极板上；

(8)在支架与定极板、边框的相接处涂上熔封玻璃；

(9)将整个工件放入炉内升温至400℃～700℃，使熔封玻璃或钎焊料充分熔化；

(10)降温后取出工件，除去隔垫物。

11、一种如权利要求6所述的制造方法，其特征在于其中所述的支架先与膜片封在一起，然后将隔垫物放置在膜片上；在支架上套上一面涂有导电层和NaCl的定极板，在边框与定极板的相接处涂上导电熔封玻璃；将表面涂上导电层的可动极板通过支架置于定极板上，定极板的NaCl层与可动极板导电层相对；在支架与可动极板的相接处涂上导电熔封玻璃；依此步骤，将隔垫物、定极板、可动极板依次叠放；整个工件升温熔封；降温后除去隔垫物，并洗净NaCl。

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