CN108444621A - 一种陶瓷电阻式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷电阻式压力传感器，包括用于感测被测介质压力而产生微位移的陶瓷膜片、与陶瓷膜片配合固定并形成预定厚度的空腔的陶瓷基座、以及设置在陶瓷膜片内侧用于检测微位移并转换为对应的标准测量信号的厚膜电路。本发明采用的是电容式结构且电阻式原理，被测介质的压力直接作用于陶瓷膜片上，使陶瓷膜片产生与介质压力成正比的微位移，进而通过厚膜电路的压敏电阻检测该微位移并把这一位移量转换成对应于这一压力的标准测量信号。超压时陶瓷膜片直接贴到坚固的陶瓷基座上，进而从结构上保证了陶瓷膜片不会产生过大变型，具有很强的抗冲击及抗过载能力，稳定性高，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种陶瓷电阻式压力传感器。
背景技术
压力传感器是现代测量和自动化系统的重要技术之一，广泛应用于各种工业自控环境，具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、便于集成化的优点，可广泛应用于压力、高度、加速度、流速、压强的测量与控制。在众多压力传感器材料中，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。
现有的陶瓷电容式压力传感器，陶瓷电容受压力作用，膜片发生弯曲变形，电容量发生改变，其压力直接作用在陶瓷膜片上，基座电极与膜片电极间的电容量的变化与压力成比例关系，压力与成比例关系通过检测容量可知压力大小。控制电路将电容输出小信号进行放大、校准线性化等处后根据配置的输出格式提供给后级系统使用。
但是目前市售的上述陶瓷压力传感器大部分应用在中高量程的压力测量范围，例如(0.2Mpa-50Mpa)之间，很少用于低量程的测量范围内(低于5Kpa)，并且其耐冲击压力只有其最大量程的2-3倍(典型值为2.5倍)。在农用无人机液位测量、城市积水液位测量、以及与食品、医药等卫生型液位测量等应用场景中，经常需要可以感应超低压力变化的压力传感器，用于测量超低量程的液位变化。为解决上述问题，确有必要提供一种创新的陶瓷电阻式压力传感器，以克服现有技术中的所述缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种陶瓷电阻式压力传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据本发明的一方面，提供一种陶瓷电阻式压力传感器，包括用于感测被测介质压力而产生微位移的陶瓷膜片、与陶瓷膜片配合固定并形成预定厚度的空腔的陶瓷基座、以及设置在陶瓷膜片内侧用于检测微位移并转换为对应的标准测量信号的厚膜电路。
优选的，所述陶瓷膜片通过玻璃浆料与陶瓷基座烧结在一起形成空腔。
优选的，所述空腔的预定厚度为70-80um。
优选的，所述陶瓷基座的中心位置设置有一个用于通气的通气通孔。
优选的，所述陶瓷基座还包括6个电极通孔。
优选的，所述陶瓷基座的边缘位置设置有一个用于定位的定位孔。
优选的，所述厚膜电路包括惠斯通电桥；所述惠斯通电桥包括压敏电阻R1、压敏电阻R2、压敏电阻R3和压敏电阻R4。
优选的，所述惠斯通电桥为全桥差动电路。
优选的，还包括设置在陶瓷基座内侧用于对厚膜电路进行激光修调的修调电路。
优选的，所述修调电路包括零点补偿电阻R5和零点补偿电阻R6；所述零点补偿电阻R5与压敏电阻R1串联，零点补偿电阻R6与压敏电阻R2串联。
实施本发明陶瓷电阻式压力传感器的技术方案，具有如下优点或有益效果：本发明陶瓷电阻式压力传感器采用的是电容式结构且电阻式原理，被测介质的压力直接作用于陶瓷膜片上，使陶瓷膜片产生与介质压力成正比的微位移，进而通过厚膜电路的压敏电阻检测该微位移，即把这一位移量转换成对应于这一压力的标准测量信号。超压时陶瓷膜片直接贴到坚固的陶瓷基座上，进而从结构上保证了陶瓷膜片不会产生过大变型，由于陶瓷膜片采用高性能的工业陶瓷，因而使传感器具有很强的抗冲击及抗过载能力，稳定性高，测量精度高，适用于不同量程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：
图1是本发明陶瓷电阻式压力传感器实施例的第一状态示意图；
图2是本发明陶瓷电阻式压力传感器实施例的第二状态示意图；
图3是本发明陶瓷电阻式压力传感器实施例的第三状态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种实施例。应明白，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
如图1-3所示，本发明提供一种陶瓷电阻式压力传感器实施例，包括用于感测被测介质压力而产生微位移的陶瓷膜片10、与陶瓷膜片10固定并形成预定厚度的空腔的陶瓷基座20、以及设置在陶瓷膜片10内侧用于检测微位移并转换为对应的标准测量信号的厚膜电路(图未示出)。具体的，陶瓷膜片10在受到被测介质(可以是液体、气体等)压力时会有微位移(轻微变形)，厚膜电路检测识别到该微位移后将其转换为对应的标准测量信号，并通过控制装置(图未显示)进行信号放大、分析、计算进而给出被测介质的量程、体积等等数据。
在本实施例中，所述陶瓷膜片10通过玻璃浆料与陶瓷基座20烧结在一起，进而使得陶瓷膜片10与陶瓷基座20之前形成预定厚度的空腔，该空腔的预定厚度优选为70-80um。具体的，陶瓷膜片10可根据不同量程的要求更换，即通过改变陶瓷膜片的厚度及陶瓷膜片与陶瓷基座间的间距，可适用于不同量程的压力测量，进而覆盖不同的应用场景。使用范围广，其可耐冲击压力(爆破压力)为其量程的10倍以上，过载能力强，大大提高了传感器的可靠性。
如图2所示，在本实施例中，所述陶瓷基座20的中心位置(例如圆心位置)设置有一个用于通气的通气通孔21，该通气通孔21使得陶瓷基座20可以适用于不用大气压强的测量环境，如中国东部、中国西部等，不会因为外界大气压强变化而导致陶瓷膜片10产生微变形，因大气压强的变化而影响测量精度，甚至陶瓷膜片爆裂，对陶瓷膜片10起到了非常好的保护作用。陶瓷基座20还包括6个电极通孔22、23、24、25、25和27，这6个电极通孔完全一样，均用于电极连接，其具体设置位置可根据具体情况来设置，进而外界电极线可以与厚膜电路进行连接。同时，所述陶瓷基座20的边缘位置处设置有一个用于定位的定位孔28，与此对应的，陶瓷膜片具有同样的定位孔11，用于对陶瓷基座20进行定位固定，进而使得陶瓷基座20不会随意转动。
在本实施例中，还包括设置在陶瓷基座20内侧用于对厚膜电路进行激光修调的修调电路(图未示出)，所述厚膜电路设置在陶瓷膜片10内侧，进而可用于检测陶瓷膜片因被测介质压力而产生的微位移并将其转换为对应的标准测量信号。更为具体的，厚膜电路通过电极通孔与修调电路以及控制电路(图未示出)进行连接，进而修调电路可对厚膜电路进行激光调阻，以及将厚膜电路测量的标准测量信号发送至控制电路进行分析处理。
更为具体的，所述厚膜电路包括惠斯通电桥，所述修调电路包括零点补偿电阻R5和零点补偿电阻R6，其中，零点补偿电阻R5与压敏电阻R1串联，零点补偿电阻R6与压敏电阻R2串联。其中，惠斯通电桥包括压敏电阻R1、压敏电阻R2、压敏电阻R3和压敏电阻R4，其中，4个压敏电阻完全一样，至少在具体电路中放置位置及作用不同而已。更为具体的，所述惠斯通电桥为全桥差动电路。所述零点补偿电阻R6和所述压敏电阻R2均为可激光调阻的压敏电阻。用于对惠斯通电桥输出进行零点补偿，在后期校准工艺中，在常温下，通过激光调阻设备对零点补偿电阻R5和R6进行调整，使零点输出达到给定规格。
本申请陶瓷电阻式压力传感器的设计及工艺路线如下：
材料选择：陶瓷膜片10采用90％-99％的Al2O3陶瓷弹性体，要求弹性膜片平整、厚度均匀、内应力小、易加工、成本低；陶瓷基座20同样采用90％-99％的Al2O3陶瓷弹性体，要求尺寸准确。陶瓷材料(氧化铝Al2O3或氧化锆ZrO3)具有高绝缘，耐腐蚀，高弹性模量，低迟滞的特点，非常适合于制作压力应变器件。
根据传感器应用特点，导电带采用Ag/Pd浆料，其中Pd含量为8％以上，导电性好，与膜片结合紧密。厚膜电路的压敏电阻采用钌酸盐厚膜电阻浆料，采取低温飘，高应变系数(GF>12)的压敏浆料进行丝网印刷，为钌酸盐厚膜电阻浆料(PbRuO3，RuO2，SIO2玻璃，有机溶剂，分散剂等材料)，适合丝印及烧结，丝印膜厚在20-30uM，烧结温度为850℃，烧制出来的厚膜电路的厚度约10-15um，值约10K±3K，其温度系数(TCR)低于100PPM，与陶瓷紧密结合，膜厚及材料适合激光修调，并能够满足-40℃～125℃使用要求。
结构设计：根据不同测量量程制作陶瓷膜片，并通过工艺控制膜片形变范围。陶瓷膜片与陶瓷基座间的空腔的预定厚度(H)不能太大，因为当陶瓷弹性体(陶瓷膜片)受过载压力时，一方面，陶瓷膜片在未接触陶瓷基座前发生开裂，进而失去了保护而损坏，另一方面，过载会使传感器压阻效应的线性关系破坏，厚膜电路的压敏电阻变化不再与压力成正比，其线性和稳定性也有很大的影响，尽量利用陶瓷膜片在线性形变范围(实际应用范围低于0.1mm)。也不能太小，太小将使传感器形变量受限，测量的量程范围过小，达不到设计的目的。
工艺过程：通过厚膜丝网印刷将Ag/Pb导电带和厚膜电路(压敏电阻)掩模图形依次转印到周边固支陶瓷膜片上，经高温烧结而成；然后，在陶瓷基座上印烧修调电路(零点补偿电阻)，最后，利用低温玻璃浆料将陶瓷膜片和带有瓷环的陶瓷基座低温烧结成周边固支的测量用传感器。
具体流程：
(1)设计结构图形，设计厚膜电路图形，制作印刷丝网；
(2)陶瓷膜片激光划片，陶瓷膜片由流延法制作，高温烧结而成，厚度均匀光滑，根据不同的量程，选择0.1mm/0.15mm/0.2mm/0.3mm/0.5mm/0.635mm/…/1.1mm等不同量程要求对应的不同厚度的陶瓷膜片；
(3)陶瓷基座干粉模压成型，高温烧结，尺寸为D＝21mm、D＝32mm等不同直径的陶瓷基座，陶瓷基座直径越大，对低量程的敏感度越好。
(4)在陶瓷膜片上分别依次印刷导电带，烧结，印刷厚膜电路(压敏电阻)，烧结，印刷玻璃，烧结，再印刷外圈玻璃，控制陶瓷膜片厚度在20um±5um；具体的，利用高应变系数(GF>12)的厚膜应变材料，直接丝印在超薄的氧化铝Al2O3或氧化锆ZrO3的陶瓷膜片(0.1-0.3mm)，在其上通过厚膜印刷工艺，在陶瓷膜片制作出四个敏感电阻及电路，形成对压力敏感的惠斯通电桥；
(5)在陶瓷基座上印刷导电带，烧结，印刷修调电路，烧结，印刷保护玻璃，烧结，再印刷外圈玻璃，控制陶瓷基座的厚度在20um±5um；
(6)在陶瓷基座外圈再次印刷低温粘接玻璃，将印刷好的陶瓷膜片贴合在陶瓷基座上，轻压保证贴合紧密，再次烧结，保证陶瓷膜片与陶瓷基座间玻璃烧结牢固，并控制粘接玻璃厚度约为30-40um，以上3圈玻璃烧结厚度共70-80um，即控制了陶瓷膜片与陶瓷基座的间距为70-80um之间，可以保证产品达到设计的要求；
(7)通孔，利用低温银浆进行过孔金属化，将陶瓷基座的修调电路与陶瓷膜片的厚膜电路进行电气连通，进而保证电路的完整性；
(8)激光修调，利用激光修调设备对厚膜电路进行激光修调，保证传感器零点电压输出在0-5mV以内，便于后续控制电路的放大、滤波及量程标定；
(9)装配，根据客户要求装配在无应力影响的支架上，通过控制电路及软件对传感器进行标定，最终制作出可以测量0-5Kpa的低量程的陶瓷电阻式压力传感器。
最终制作出可以感应超低的压力变化的压力传感器，用于测量超低量程的液位变化，主要用于农用无人机液位测量、城市积水液位测量、以及与食品、医药等卫生型液位测量等应用场景。可替代部分MEMS玻璃微熔压力传感器技术及溅射薄膜压力传感器技术，并大幅度降低成本，具有极高性价比。
陶瓷电阻式压力传感器采用周边固支圆形陶瓷弹性体的传感器既增加了结构强度，又能减少传感器封装应力影响，提高了传感器长期稳定性。陶瓷电阻式压力传感器在受到压力的情况下，陶瓷膜片的一面受到压强P作用时，陶瓷膜片发生变形，陶瓷膜片上印烧有厚膜电路(即4个压敏电阻组成的惠斯通电桥)，因压阻效应原理，惠斯通电桥输出随压强P值呈线性变化，电压信号通过放大电路调理输出标准测量信号。
本发明陶瓷电阻式压力传感器采用的是电容式结构且电阻式原理，被测介质的压力直接作用于传感器的陶瓷膜片上，使陶瓷膜片产生与被测介质压力成正比的微位移，进而通过厚膜电路的压敏电阻检测该微位移，即把这一位移量转换成对应于这一压力的标准测量信号。超压时陶瓷膜片直接贴到坚固的陶瓷基座上，由于陶瓷膜片与陶瓷基座的空腔厚度为70-80um，因此过载时陶瓷膜片的最大位移只能是70-80um，进而从结构上保证了陶瓷膜片不会产生过大变型，由于陶瓷膜片采用高性能的工业陶瓷，因而使传感器具有很强的抗冲击及抗过载能力，稳定性高，测量精度高，适用于不同量程。可广泛用于农业、石油、化工、电力、冶金、制药、食品等许多工业领域，可适应工业测量的各种场合及介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，包括用于感测被测介质压力而产生微位移的陶瓷膜片(10)、与所述陶瓷膜片(10)配合固定并形成预定厚度的空腔的陶瓷基座(20)、以及设置在所述陶瓷膜片(10)内侧用于检测所述微位移并转换为对应的标准测量信号的厚膜电路。
2.根据权利要求1所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述陶瓷膜片(10)通过玻璃浆料与所述陶瓷基座(20)烧结在一起形成所述空腔。
3.根据权利要求2所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述空腔的预定厚度为70-80um。
4.根据权利要求1所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述陶瓷基座(20)的中心位置设置有一个用于通气的通气通孔(21)。
5.根据权利要求4所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述陶瓷基座(20)还包括6个电极通孔(22、23、24、25、26、27)。
6.根据权利要求5所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述陶瓷基座(20)的边缘位置设置有一个用于定位的定位孔(28)。
7.根据权利要求1所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述厚膜电路包括惠斯通电桥；
所述惠斯通电桥包括压敏电阻R1、压敏电阻R2、压敏电阻R3和压敏电阻R4。
8.根据权利要求7所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥为全桥差动电路。
9.根据权利要求7所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，还包括设置在所述陶瓷基座(20)内侧用于对所述厚膜电路进行激光修调的修调电路。
10.根据权利要求9所述的陶瓷电阻式压力传感器，其特征在于，所述修调电路包括零点补偿电阻R5和零点补偿电阻R6；
所述零点补偿电阻R5与所述压敏电阻R1串联，所述零点补偿电阻R6与所述压敏电阻R2串联。
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