CN105021326A - 一种一体式陶瓷电容压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为一种一体式陶瓷电容压力传感器及其制造方法。属于压力传感器技术领域。它主要是解决现有陶瓷电容式压力传感器厚片和薄片间密封性和粘结强度较低，造成可靠性不够的问题。它的主要特征是：包括弹性薄基板、厚基板、以及其之间的间隙隔离片；弹性薄基板、厚基板和间隙隔离片均为流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片叠压而成；所述弹性薄基板、间隙隔离片和厚基板经烧结后成为一个整体。本发明具有确保陶瓷基板间的强度和密封性，提高产品可靠性的特点，主要用于陶瓷电容式压力传感器。

Description

一种一体式陶瓷电容压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种一体式陶瓷电容压力传感器及其制造方法。

背景技术

目前陶瓷电容式压力传感器都是在厚薄两片陶瓷基板的各相对面设置电极，并采用陶瓷小球、树脂小球或低温共烧（LTCC）陶瓷生片作为间隔物控制电极间的距离，来形成指定初始电容值的电容器。当陶瓷基板受到外部压力，薄基板会出现变形，导致电容值变化，根据这一电容的变化值，即可检测出基板所承受的外部压力。这种陶瓷电容式压力传感器的两片陶瓷基板是通过封接材料（如玻璃类）烧结粘结在一起的，从外观看是两片陶瓷基板组合在一起。如图1所示，两片陶瓷基板即弹性薄基板1和厚基板3，弹性薄基板1和厚基板3之间为封接材料2，外部有引线4。这类封接材料的强度远低于陶瓷基板的强度，因此对产品的密封性和粘结强度造成很大影响。

发明内容

本发明为克服上述缺陷，确保陶瓷基板间的密封性和粘结强度，提高产品的可靠性，提供一种一体式陶瓷电容压力传感器及其制造方法。

本发明一体式陶瓷电容压力传感器的技术解决方案是：包括弹性薄基板、厚基板，弹性薄基板上设有薄基板金属电极和薄基板电极焊盘，厚基板上设有厚基板金属电极、环形金属电极、环形金属电极焊盘、厚基板电极焊盘、薄基板引线焊盘，厚基板电极焊盘、环形金属电极焊盘和薄基板引线焊盘上均设有引线过孔，其特征在于：还包括设置在弹性薄基板与厚基板之间的间隙隔离片；间隙隔离片设有3个与引线过孔对应的引线和焊盘过孔；弹性薄基板、厚基板和间隙隔离片均由流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片叠压而成；所述弹性薄基板、间隙隔离片和厚基板经热压和热等静压压合后再经烧结成型为一体式压力传感器基体。

本发明一体式陶瓷电容压力传感器的技术解决方案中所述的弹性薄基板为圆形，厚度为0.3~0.8mm，薄基板金属电极和薄基板电极焊盘的厚度为0.5~1μm；厚基板为圆形，厚度为3~8mm，厚基板金属电极和环形金属电极的厚度为0.5~1μm；间隙隔离片为圆环形，厚度为20~60μm。

本发明一体式陶瓷电容压力传感器的技术解决方案中所述的引线过孔和引线和焊盘过孔内设有引线和导电胶。

本发明制造一体式陶瓷电容压力传感器方法的技术解决方案是：一种一体式陶瓷电容压力传感器的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴在厚度为0.3~0.8mm、流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片叠压而成的圆形弹性薄基板上通过丝网印刷或真空溅射方式制作厚度为0.5~1μm的薄基板金属电极和薄基板电极焊盘，弹性薄基板边缘设有薄基板定位缺口；

⑵在厚度为3~8mm、流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片叠压而成的圆形厚基板上通过丝网印刷或真空溅射方式制作厚度为0.5~1μm的厚基板金属电极、环形金属电极、厚基板电极焊盘、环形金属电极焊盘和薄基板引线焊盘，厚基板电极焊盘、环形金属电极焊盘和薄基板引线焊盘上均开有引线过孔，厚基板边缘设有厚基板定位缺口；

⑶采用厚度为20~60μm、流延成型的氧化铝或氧化锆间隙隔离片，间隙隔离片边缘设有与薄基板定位缺口、厚基板定位缺口对应的间隙隔离片定位缺口，间隙隔离片上开有3个与引线过孔对应的引线和焊盘过孔；

⑷间隙隔离片与弹性薄基板、厚基板组合在一起时，中间产生的空隙采取丝网印刷的方式用挥发性填充物填满；

⑸先在2.5~10MPa的压力、60~80℃的温度和10~20min的保压时间内，使用热压机将圆形弹性薄基板、间隙隔离片和厚基板及挥发性填充物预压合在一起，然后使用挥发性填充物将引线过孔完全塞住；再在25~60MPa的压力、60~80℃的温度和30~60min的保压时间内，使用热等静压机将圆形弹性薄基板、间隙隔离片和厚基板及挥发性填充物压合在一起形成一体式压力传感器基体；

⑹对上述整体进行排胶处理，温度为300~450℃，时间为48~96小时；

⑺在烧结炉中进行烧结，烧结温度为1300~1500℃，保温时间2~4小时；

⑻在3个引线过孔内灌入导电胶，然后插入引线，放入烘炉进行固化。

本发明制造一体式陶瓷电容压力传感器方法的技术解决方案中所述的流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片是先将3000-5000份氧化铝粉或氧化锆粉、1500-3000份甲苯、750-1500份无水乙醇、10-20份消泡剂、10-30份分散剂和12000-20000份φ3-10mm锆球在球磨罐内混合后磨5～10hr，再加入1200-1600份粘合剂磨10～24hr，出料后流延成0.02～0.06mm厚度的流延片，再将流延片按照弹性薄基板、厚基板和间隙隔离片要求的厚度叠压而成的。

本发明制造一体式陶瓷电容压力传感器方法的技术解决方案中第⑴、⑵步骤中所述的丝网印刷制作方式，烘干温度为60～80℃，烘干时间为10～15min。

本发明制造一体式陶瓷电容压力传感器方法的技术解决方案中所述的挥发性填充物是碳浆或树脂类。

本发明制造一体式陶瓷电容压力传感器方法的技术解决方案中所述的分散剂为三油酸甘油酯，消泡剂为二甲基硅油。

本发明由于采用由3000-5000份氧化铝粉或氧化锆粉、1500-3000份甲苯、750-1500份无水乙醇、10-20份消泡剂、10-30份分散剂和12000-20000份φ3-10mm锆球经流延成型的弹性薄基板、厚基板和间隙隔离片，间隙隔离片厚度在20μm~60μm，在烧结过程中，弹性薄基板、厚基板和间隙隔离片压合在一起形成整体结构式压力传感器基体，能精确控制弹性薄基板和厚基板间的距离，从而获得高精度的初始电容值，又保证了基板间良好的密封性和强度，提高了压力传感器的可靠性。本发明主要用于陶瓷电容式压力传感器。

附图说明

图1为普通压力传感器外观图。

图2为本发明压力传感器外观图。

图3为本发明压力传感器弹性薄基板图。

图4为本发明压力传感器厚基板图。

图5为本发明压力传感器陶瓷间隙隔离片图。

图6为本发明压力传感器烧结前剖面图。

图7为本发明压力传感器烧结后剖面图。

图中1-弹性薄基板、2-封接材料、3-厚基板、4-引线、5-一体式压力传感器基体、6-薄基板电极焊盘、7-薄基板金属电极、8-薄基板定位缺口、9-厚基板定位缺口、10-厚基板金属电极、11-环形金属电极、12-厚基板电极焊盘、13-环形金属电极焊盘、14-薄基板引线焊盘、15-引线过孔、16-间隙隔离片定位缺口、17-间隙隔离片、18-引线和焊盘过孔、19-挥发性填充物。

具体实施方式

如图3所示，弹性薄基板1为圆形，厚度为0.3~0.8mm。该弹性薄基板1为流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片，其上通过丝网印刷或真空溅射方式制作薄基板金属电极7和薄基板电极焊盘6，其厚度为0.5~1μm。弹性薄基板1边缘设有薄基板定位缺口8。薄基板金属电极7与圆形弹性薄基板1同心。当压力传感器受到外部压力时，该弹性薄基板会沿板的厚度方向产生弹性弯曲。

如图4所示，厚基板3为圆形，厚度为3~8mm。该厚基板3上同样用丝网印刷或真空溅射方式制作厚基板金属电极10和围绕厚基板金属电极10的环形金属电极11，厚基板金属电极10和环形金属电极11同心且与厚基板3同心，厚基板金属电极10连接厚基板电极焊盘12，环形金属电极11连接环形金属电极焊盘13。厚基板电极焊盘12、环形金属电极焊盘13和薄基板引线焊盘14上均设有引线过孔15，用来插入引线连接外部线路。厚基板3边缘设有厚基板定位缺口9。

如图5所示，间隙隔离片17为环形，厚度为20~60μm，具体由压力传感器的规格决定。间隙隔离片17边缘设有间隙隔离片定位缺口16。间隙隔离片17上设有3个引线和焊盘过孔18，分别与3个引线过孔15对应。间隙隔离片17与厚基板3、弹性薄基板1同心。以间隙隔离片定位缺口16对位放置在厚基板3、弹性薄基板1之间后，间隙隔离片17环绕在环形金属电极11周围。

压力传感器烧结前的剖面图如图6所示。将环形间隙隔离片17夹在弹性薄基板1和厚基板3之间，其中间产生的空隙及引线过孔15用挥发性填充物19填满，挥发性填充物19可为碳浆、树脂类，用薄基板定位缺口8、厚基板定位缺口9和间隙隔离片定位缺口16进行精确定位后叠在一起，其中弹性薄基板1和厚基板3的电极相对放置，然后进行热压和热等静压。

压力传感器烧结后剖面图如图7所示。弹性薄基板1、厚基板3和间隙隔离片17已烧结为一体，挥发性填充物19已被烧掉，在其内部形成密闭空腔。薄基板金属电极7与厚基板金属电极10、环形金属电极11平行相对，中间由环形间隙隔离片17间隔成规定的间隙，从而形成电容。当受到轴向压力时，弹性薄基板1弯曲变形，电容值发生变化，通过检测容量的变化可知压力的大小。

在引线过孔15中插入引线，用导电胶固化后形成电气连接，即可制作成外观如图2所示的压力传感器。通过引线可连接外部检测仪器进行检测。

本发明一种一体式陶瓷电容压力传感器的制作方法包括以下步骤：

⑴流延：先将3000-5000份氧化铝粉或氧化锆粉、1500-3000份甲苯、750-1500份无水乙醇、10-20份二甲基硅油、10-30份三油酸甘油酯和12000-20000份φ3-10mm锆球在球磨罐内混合后磨5～10hr，再加入1200-1600份粘合剂磨10～24hr，出料后进行流延，生瓷片流延的厚度20～60μm，生瓷片裁切成长160mm，宽160mm的单张；

⑵叠压：用流延的生瓷片单张分别按照弹性薄基板1、厚基板3、间隙隔离片17的需求厚度进行叠膜，然后使用热压机分别将叠好弹性薄基板1、厚基板3、间隙隔离片17压合在一起；间隙隔离片17也可使用单张流延片；

⑶模切：将压合后厚基板3、弹性薄基板生坯按照产品尺寸进行模切，同时冲薄基板定位缺口8、厚基板定位缺口9，厚基板3加冲引线过孔15；将间隙隔离片17冲成要求的圆环，同时也冲间隙隔离片定位缺口16和与引线过孔15对应的引线和焊盘过孔18，定位缺口是用来将厚基板3、弹性薄基板1、间隙隔离片17精确对位叠片的；

⑷印刷：使用丝网印刷机，在弹性薄基板1和厚基板3上分别印刷薄基板金属电极7、薄基板电极焊盘6、厚基板金属电极10、环形金属电极11、厚基板电极焊盘12、环形金属电极焊盘13和薄基板引线焊盘14，印刷厚度5～10μm，烘干温度为60～80℃，烘干时间为10～15min；间隙隔离片17与弹性薄基板1、厚基板3组合在一起时，中间会产生空隙，在厚基板3上对应的这些空隙位置采取丝网印刷的方式用碳浆填满；

⑹预压合：使用带销钉的定位模具，分别按位置和方向将弹性薄基板1，间隙隔离片17、厚基板3叠在一起；使用热压机，温度设定60～80℃，压力设定2.5～10Mpa，时间设定10～20min，将厚基板3、弹性薄基板1、间隙隔离片17预压合在一起，然后使用碳浆将引线过孔15完全塞住；

⑻压合：使用热等静压机，温度设定60～80℃，压力设定25～60Mpa，时间设定30～60min，将厚基板3、弹性薄基板1、间隙隔离片17完全压合在一起形成整体式基体；

⑼排胶：利用循环热风干燥箱，将产品装入排胶钵，温度升至300～450℃，保温48～96H，将陶瓷内的树脂、有机溶剂、添加剂、碳浆等排出；

⑽烧成：利用高温烧成炉，将产品装入承烧钵，温度升至1300～1500℃，保温2～4H，将产品烧结成一个没有接缝的整体；

⑾制作外接引线：使用点胶机将银胶点入引线过孔15，然后将导电性能良好的导针插入引线过孔15，放入烘炉进行固化。

Claims (8)

1.一种一体式陶瓷电容压力传感器，包括弹性薄基板（1）、厚基板（3），弹性薄基板（1）上设有薄基板金属电极（7）和薄基板电极焊盘（6），厚基板（3）上设有厚基板金属电极（10）、环形金属电极（11）、环形金属电极焊盘（13）、厚基板电极焊盘（12）、薄基板引线焊盘（14），厚基板电极焊盘（12）、环形金属电极焊盘（13）和薄基板引线焊盘（14）上均设有引线过孔（15），其特征在于：还包括设置在弹性薄基板（1）与厚基板（3）之间的间隙隔离片（17）；间隙隔离片（17）设有3个与引线过孔（15）对应的引线和焊盘过孔（18）；弹性薄基板（1）、厚基板（3）和间隙隔离片（17）均由流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片叠压而成；所述弹性薄基板（1）、间隙隔离片（17）和厚基板（3）经热压和热等静压压合后再经烧结成型为一体式压力传感器基体（5）。

2.根据权利要求1所述的一种一体式陶瓷电容压力传感器，其特征在于：所述的弹性薄基板（1）为圆形，厚度为0.3~0.8mm，薄基板金属电极（7）和薄基板电极焊盘（6）的厚度为0.5~1μm；厚基板（3）为圆形，厚度为3~8mm，厚基板金属电极（10）和环形金属电极（11）的厚度为0.5~1μm；间隙隔离片（17）为圆环形，厚度为20~60μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种一体式陶瓷电容压力传感器，其特征在于：所述的引线过孔（15）和引线和焊盘过孔（18）内设有引线和导电胶。

4.一种制造权利要求1所述一种一体式陶瓷电容压力传感器的方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴在厚度为0.3~0.8mm、流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片叠压而成的圆形弹性薄基板（1）上通过丝网印刷或真空溅射方式制作厚度为0.5~1μm的薄基板金属电极（7）和薄基板电极焊盘（6），弹性薄基板（1）边缘设有薄基板定位缺口（8）；

⑵在厚度为3~8mm、流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片叠压而成的圆形厚基板（3）上通过丝网印刷或真空溅射方式制作厚度为0.5~1μm的厚基板金属电极（10）、环形金属电极（11）、厚基板电极焊盘（12）、环形金属电极焊盘（13）和薄基板引线焊盘（14），厚基板电极焊盘（12）、环形金属电极焊盘（13）和薄基板引线焊盘（14）上均开有引线过孔（15），厚基板（3）边缘设有厚基板定位缺口（9）；

⑶采用厚度为20~60μm、流延成型的氧化铝或氧化锆间隙隔离片（17），间隙隔离片（17）边缘设有与薄基板定位缺口（8）、厚基板定位缺口（9）对应的间隙隔离片定位缺口（16），间隙隔离片（17）上开有3个与引线过孔（15）对应的引线和焊盘过孔（18）；

⑷间隙隔离片（17）与弹性薄基板（1）、厚基板（3）组合在一起时，中间产生的空隙采取丝网印刷的方式用挥发性填充物填满；

⑸先在2.5~10MPa的压力、60~80℃的温度和10~20min的保压时间内，使用热压机将圆形弹性薄基板（1）、间隙隔离片（17）和厚基板（3）及挥发性填充物预压合在一起，然后使用挥发性填充物（19）将引线过孔（15）完全塞住；再在25~60MPa的压力、60~80℃的温度和30~60min的保压时间内，使用热等静压机将圆形弹性薄基板（1）、间隙隔离片（17）和厚基板（3）及挥发性填充物压合在一起形成一体式压力传感器基体（5）；

⑹对上述整体进行排胶处理，温度为300~450℃，时间为48~96小时；

⑺在烧结炉中进行烧结，烧结温度为1300~1500℃，保温时间2~4小时；

⑻在3个引线过孔（15）内灌入导电胶，然后插入引线，放入烘炉进行固化。

5.根据权利要求4所述的制造一体式陶瓷电容压力传感器的方法，其特征在于：所述的流延成型的氧化铝或氧化锆生瓷片是先将3000-5000份氧化铝粉或氧化锆粉、1500-3000份甲苯、750-1500份无水乙醇、10-20份消泡剂、10-30份分散剂和12000-20000份φ3-10mm锆球在球磨罐内混合后磨5～10hr，再加入1200-1600份粘合剂磨10～24hr，出料后流延成0.02～0.06mm厚度的流延片，再将流延片按照弹性薄基板、厚基板和间隙隔离片要求的厚度叠压而成的。

6.根据权利要求4或5所述的制造一体式陶瓷电容压力传感器的方法，其特征在于：第⑴、⑵步骤中所述的丝网印刷制作方式，烘干温度为60～80℃，烘干时间为10～15min。

7.根据权利要求4或5所述的制造一体式陶瓷电容压力传感器的方法，其特征在于：所述的挥发性填充物是碳浆或树脂类。

8.根据权利要求4或5所述的制造一体式陶瓷电容压力传感器的方法，其特征在于：所述的分散剂为三油酸甘油酯，消泡剂为二甲基硅油。