CN105806519B - 一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器及制造方法 - Google Patents

一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器及制造方法，压力传感器包括：感压膜片、支撑陶瓷基板、导气陶瓷基板和底层陶瓷基板，并依次接触连接；感压膜片的第一表面设有惠斯通电桥，惠斯通电桥通过焊盘与感压膜片连接；支撑陶瓷基板设有若干个通孔，支撑陶瓷基板的若干个通孔分别与惠斯通电桥和焊盘的位置对应；导气陶瓷基板上设有导气槽，导气槽与支撑陶瓷基板的若干个通孔重叠；底层陶瓷基板设有若干个通孔，底层陶瓷基板的若干个通孔与导气槽重叠。本发明通过采用陶瓷基板制作压力传感器，能在卤水较长时间的腐蚀作用下保持弹性系数，并通过设置通孔，能够及时散热，不影响测量精度与系统可靠性。

Description

一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器及制造方法
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器及制造方法。
背景技术
压力传感器应用广泛，尤其在工业液位监测中，采用扩散硅材料的传统液位变送器，由于在硅感压膜与波纹不锈钢片之间灌注有硅油，在液压测量过程中会出现灵敏度低，反应时间长等问题，不利于监测系统快速响应。
例如，青海某盐湖化工企业在采卤过程中需要实时监测采卤井中液位变化，由于潜水泵全天候工作，井中液位浮动可能出现变化大且快的情况，此时需要传感器采集到实时数据，便于当液位降低到水泵进水口以下时，工作人员能迅速做出反应。此外，卤水具有腐蚀性，传统压力传感器外壳虽然采用不锈钢材料，但在卤水较长时间的腐蚀作用下，不锈钢波纹片的弹性系数会改变，影响测量精度与系统可靠性。
发明内容
由于传统压力传感器外壳虽然采用不锈钢材料，但在卤水较长时间的腐蚀作用下，不锈钢波纹片的弹性系数会改变，影响测量精度与系统可靠性的问题，本发明提出一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器及制造方法。
第一方面，本发明提出一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器，包括：感压膜片、支撑陶瓷基板、导气陶瓷基板和底层陶瓷基板；
所述感压膜片与所述支撑陶瓷基板接触连接，所述感压膜片的第一表面设有惠斯通电桥，所述惠斯通电桥通过焊盘与所述感压膜片连接；
所述支撑陶瓷基板与所述导气陶瓷基板接触连接，所述支撑陶瓷基板设有若干个通孔，所述支撑陶瓷基板的若干个通孔分别与所述惠斯通电桥和所述焊盘的位置对应；
所述导气陶瓷基板与所述底层陶瓷基板接触连接，所述导气陶瓷基板上设有导气槽，所述导气槽与所述支撑陶瓷基板的若干个通孔重叠；
所述底层陶瓷基板设有若干个通孔，所述底层陶瓷基板的若干个通孔与所述导气槽重叠。
优选地，所述惠斯通电桥的面积与对应的通孔面积相等。
优选地，所述焊盘对应的通孔中灌有电极，所述电极中穿设有所述惠斯通电桥的引线。
优选地，所述感压膜片的外表面包覆有保护层。
优选地，所述导气槽为T型导气槽。
第二方面，本发明还提出一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器的制造方法，包括：
在所述感压膜片的第一表面制出所述惠斯通电桥的电路图，并绘制所述惠斯通电桥的引线的焊盘；
在所述支撑陶瓷基板开设若干个通孔，所述支撑陶瓷基板的若干个通孔分别与所述惠斯通电桥和所述焊盘的位置对应；
在所述导气陶瓷基板上开设导气槽，所述导气槽与所述支撑陶瓷基板的若干个通孔重叠；
在所述底层陶瓷基板开设若干个通孔，所述底层陶瓷基板的若干个通孔与所述导气槽重叠。
优选地，采用丝网印刷方法在所述感压膜片的第一表面制出所述惠斯通电桥的电路图，印刷完成后对电桥进行平衡测试，若不平衡严重，为减小偏移量，增大电桥平衡，可以通过激光微调方式调节惠斯通电桥。
优选地，还包括：
在所述焊盘对应的通孔中灌注电极，所述电极穿设所述惠斯通电桥的引线。
优选地，还包括：
在所述感压膜片的外表面包覆保护层。
优选地，所述导气槽为T型导气槽。
由上述技术方案可知，本发明通过采用陶瓷基板制作压力传感器，能在卤水较长时间的腐蚀作用下保持弹性系数，并通过设置通孔，能够及时散热，不影响测量精度与系统可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器的分层结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的带有激光微调方式的电桥的电路图；
图4为本发明一实施例提供的一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1和图2示出了本发明一实施例提供的一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器的结构示意图和分层结构示意图，包括：感压膜片11、支撑陶瓷基板12、导气陶瓷基板13和底层陶瓷基板14；
所述感压膜片11与所述支撑陶瓷基板12接触连接，所述感压膜片11的第一表面设有惠斯通电桥15，所述惠斯通电桥15通过焊盘16与所述感压膜片11连接；
其中，所述惠斯通电桥15采用图3所示电路图。
所述支撑陶瓷基板12与所述导气陶瓷基板13接触连接，所述支撑陶瓷基板12设有若干个通孔17，所述支撑陶瓷基板12的若干个通孔17分别与所述惠斯通电桥15和所述焊盘16的位置对应；
所述导气陶瓷基板13与所述底层陶瓷基板14接触连接，所述导气陶瓷基板13上设有导气槽18，所述导气槽18与所述支撑陶瓷基板12的若干个通孔重叠；
所述底层陶瓷基板14设有若干个通孔19，所述底层陶瓷基板14的若干个通孔19与所述导气槽18重叠。
其中，将加工处理好的所述感压膜片11与所述支撑陶瓷基板12进行叠层，在压力为21MPa，温度为70℃的条件下热等静压成型，然后在所述支撑陶瓷基板12的4个通孔内灌注银浆，以使其分别与所述感压膜片11上的焊盘连接，随后从灌注好银浆的通孔内引出接线端子20。
低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技术采用了独特的材料，故其烧结温度低，可与金属导体共烧，所烧制的陶瓷材料具有机械强度高、硬度大、抗氧化和耐腐蚀等优点，因此陶瓷压力传感器能够应用于液位测量中且其感压膜可以与待测液体直接接触。
本实施例通过采用陶瓷基板制作压力传感器，能在卤水较长时间的腐蚀作用下保持弹性系数，并通过设置通孔，能够及时散热，不影响测量精度与系统可靠性。
进一步地，所述惠斯通电桥的面积与对应的通孔面积相等。
通过将所述惠斯通电桥的面积与对应的通孔面积相等，使得当感压膜片11上的所述惠斯通电桥部分因压力发生形变时，所述支撑陶瓷基板12能够留出足够的形变空间。
具体地，所述焊盘对应的通孔中灌有电极，所述电极中穿设有所述惠斯通电桥的引线。
向焊盘对应的通孔中灌注电极以起到连接感压膜片11上的焊盘16及稳固引线的作用。
进一步地，所述感压膜片的外表面包覆有保护层。
设置保护层是为了进一步保护压力传感器免受腐蚀以及便于固定和密封接口。
具体地，所述导气槽为T型导气槽。
T型导气槽具有连接宽通道和窄通道的功能，即能够连接所述支撑陶瓷基板12上的所有通孔17和所述底层陶瓷基板14上的所有通孔19，因为通孔17比通孔19多，因此采用T型导气槽能够方便连接两层陶瓷基板，使整个压力传感器的导气功能更佳。
举例来说，本实施例提供的基于低温共烧陶瓷的压力传感器内设导气槽和通孔，感压膜表面设惠斯通电桥以及压力传感器保护层。传感器结构由4层瓷片堆叠而成：顶层陶瓷基板、中间2层起支撑和导气作用的陶瓷基板和底层陶瓷基板。
顶层陶瓷基板是所有陶瓷基板中最薄的一片，称其为感压膜片(感压膜受压形变能引起印刷在其上的压缩电阻阻值的变化)，采用丝网印刷方法在其表面制出惠斯通电桥的电路图形并绘制其4条引线的焊盘。中层陶瓷基板，在起支撑作用的基板上开设圆形通孔，其面积刚好覆盖桥形电路，为感压膜留出形变空间，同时在与感压膜上焊盘相对应的位置开设通孔，向其中灌注电极以起到连接顶层陶瓷基板上的焊盘及稳固引出线的作用。相似地，在起导气作用的基板表面开设T形导气槽，其中竖直方向导气槽与上层相邻陶瓷基板上的圆形通孔有重叠区域用来形成导气通道，水平方向导气槽覆盖上层相邻陶瓷基板上的4个通孔，实现为引出线预留出足够空间的同时方便通过引出线。在底层陶瓷基板上开设圆形通孔，其位置与上层相邻基板竖直方向导气槽与水平方向导气槽相交处对应。为了进一步保护传感器免受腐蚀以及便于固定、密封接口，可以在陶瓷感压件外面包裹一层保护层。
压力传感器在外部压力作用下，感压膜在板厚方向发生弹性形变引起印刷在其表面的压缩电阻的阻值变化，电桥由平衡状态变为不平衡状态，则输出电压不为零，因此，通过检测电桥输出端的电压值，即可获得施加于本发明所述传感器上的压力值。
其中，陶瓷基板采用低温共烧陶瓷基板，其厚度可为0.2mm～3mm。低温共烧陶瓷基板可由低温共烧陶瓷带材料烧结而成，低温共烧陶瓷带材料通常由有机物(主要由聚合物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成)和无机物(由陶瓷和玻璃组成)成分按一定比例混合而成，能与银电极浆料匹配共烧，优选为可在850℃～900℃下与银电极浆料匹配共烧。
流延、印刷：采用流延成型工艺将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，所述生瓷带用于4层陶瓷基板。采用丝网印刷工艺，在顶层陶瓷基板表面印刷惠斯通电桥的电路图形及其引出线的焊盘图案，印刷完成后对电桥进行平衡测试，若不平衡严重，为减小偏移量，增大电桥平衡，可以通过激光微调方式调节惠斯通电桥。
打孔、开槽：采用打孔、开槽工艺分别在中间2层起支撑和导气作用的陶瓷基板和底层陶瓷基板开设导气槽和通孔。中层陶瓷基板，在起支撑作用的基板上开设圆形通孔，其面积刚好覆盖桥形电路，为感压膜留出形变空间，同时在与感压膜上焊盘相对应的位置开设通孔。相似地，在起导气作用的基板表面开设T形导气槽，其中竖直方向导气槽与上层相邻陶瓷基板上的圆形通孔有重叠区域，水平方向导气槽覆盖上层相邻陶瓷基板上的4个通孔，实现为引出线预留出足够空间。底层陶瓷基板开设圆形通孔，其位置与上层相邻基板竖直方向导气槽与水平方向导气槽相交处对应。
叠片、层压：将加工处理好的顶层陶瓷基板与中层陶瓷基板进行叠层，在压力为21MPa，温度为70℃的条件下热等静压成型，然后在中层陶瓷基板的4个通孔内灌注银浆，以使其分别与顶层陶瓷基板上的焊盘连接，随后从灌注好银浆的通孔内引出接线端子。相似地，将成型的顶层、中层陶瓷基板和底层陶瓷基板以及安装在底层陶瓷基板导气孔上的陶瓷导气管，经过同样工序热等静压成型，获得低温共烧陶瓷的素胚。叠层期间，整理和对准的基板层被热压在一起。
低温共烧：将所述素胚放入高温炉中，以2℃/min升温至450℃保温60分钟以排除有机物后继续以8℃/min升温至900℃保温30分钟进行烧结，以此获得基于LTCC的压力传感器。
空腔密封：在传感器底层陶瓷基板开设的圆形通孔内填充高温玻璃粉体，然后将传感器放入炉中进行低温烧结，使融化高温玻璃体将通孔密封，使传感器内形成密封腔等到压力传感器成品。本实施例提供的压力传感器针对卤水的结晶及腐蚀具有较高的可靠性，能解决现有投入式传感器设计、制造没有适用于盐湖化工行业等问题。
图4示出了本实施例提供的一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器的制造方法的流程示意图，包括：
S1、在所述感压膜片的第一表面制出所述惠斯通电桥的电路图，并绘制所述惠斯通电桥的引线的焊盘；
S2、在所述支撑陶瓷基板开设若干个通孔，所述支撑陶瓷基板的若干个通孔分别与所述惠斯通电桥和所述焊盘的位置对应；
S3、在所述导气陶瓷基板上开设导气槽，所述导气槽与所述支撑陶瓷基板的若干个通孔重叠；
S4、在所述底层陶瓷基板开设若干个通孔，所述底层陶瓷基板的若干个通孔与所述导气槽重叠。
本实施例通过采用陶瓷基板制作压力传感器，能在卤水较长时间的腐蚀作用下保持弹性系数，并通过设置通孔，能够及时散热，不影响测量精度与系统可靠性。
可选地，采用丝网印刷方法在所述感压膜片的第一表面制出所述惠斯通电桥的电路图，印刷完成后对电桥进行平衡测试，若不平衡严重，为减小偏移量，增大电桥平衡，可以通过激光微调方式调节惠斯通电桥。
进一步地，所述再制造方法还包括：
在所述焊盘对应的通孔中灌注电极，所述电极穿设所述惠斯通电桥的引线。
更进一步地，所述再制造方法还包括：
在所述感压膜片的外表面包覆保护层。
具体地，所述导气槽为T型导气槽。
本实施例所述的基于低温共烧陶瓷的压力传感器的制造方法可以用于执行上述装置实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (10)

1.一种基于低温共烧陶瓷的压力传感器，其特征在于，包括：感压膜片、支撑陶瓷基板、导气陶瓷基板和底层陶瓷基板；
所述感压膜片与所述支撑陶瓷基板接触连接，所述感压膜片的第一表面设有惠斯通电桥，所述惠斯通电桥通过焊盘与所述感压膜片连接；所述感压膜片与所述支撑陶瓷基板进行叠层，在压力为21MPa，温度为70℃的条件下等静压成型；
所述支撑陶瓷基板与所述导气陶瓷基板接触连接，所述支撑陶瓷基板设有若干个通孔，所述支撑陶瓷基板的若干个通孔分别与所述惠斯通电桥和所述焊盘的位置对应；所述支撑陶瓷基板的通孔内灌注银浆，以使其分别与所述感压膜片上的焊盘连接，随后从灌注好银浆的通孔内引出接线端子；
所述导气陶瓷基板与所述底层陶瓷基板接触连接，所述导气陶瓷基板上设有导气槽，所述导气槽与所述支撑陶瓷基板的若干个通孔重叠；
所述底层陶瓷基板设有若干个通孔，所述底层陶瓷基板的若干个通孔与所述导气槽重叠。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥的面积与对应的通孔面积相等。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述焊盘对应的通孔中灌有电极，所述电极中穿设有所述惠斯通电桥的引线。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述感压膜片的外表面包覆有保护层。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述导气槽为T型导气槽。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于低温共烧陶瓷的压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：
在所述感压膜片的第一表面制出所述惠斯通电桥的电路图，并绘制所述惠斯通电桥的引线的焊盘；
在所述支撑陶瓷基板开设若干个通孔，所述支撑陶瓷基板的若干个通孔分别与所述惠斯通电桥和所述焊盘的位置对应；
在所述导气陶瓷基板上开设导气槽，所述导气槽与所述支撑陶瓷基板的若干个通孔重叠；
在所述底层陶瓷基板开设若干个通孔，所述底层陶瓷基板的若干个通孔与所述导气槽重叠。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，采用丝网印刷方法在所述感压膜片的第一表面制出所述惠斯通电桥的电路图。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，还包括：
在所述焊盘对应的通孔中灌注电极，所述电极穿设所述惠斯通电桥的引线。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，还包括：
在所述感压膜片的外表面包覆保护层。
10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述导气槽为T型导气槽。
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