CN111693186A - 一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法。该方法为:一、陶瓷基底打磨、清洗、烘干;二、金浆配置;三、丝网印刷金浆;四、烘干;五、高温烧结。本发明通过对金浆的粘度、金颗粒含量、丝网印刷次数、网板目数来调控金电极的厚度,并通过合适的烧结工艺,制备的电极材料与基底结合强度高,在循环应力以及热循环作用下,电极不易脱落,具有抗疲劳性能好等优点。本发明适用于大批量生产,产品均匀性好,质量一致性高,大大提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域,尤其涉及一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法。
背景技术
近年来,随着汽车和微电子行业的快速发展,对具有高灵敏度,高反应性和小型化的电子传感器的需求大幅增加。因此,同时具有高精度、宽工作环境,长工作寿命的压力传感器成为了研究的热点。通过研究传感器内部结构,探索高效、合理的封装工艺等成为了新型压力传感器发展的趋势。特别是陶瓷电容式压力传感器,将陶瓷的耐腐蚀、高强度的特性与电容的长寿命的特点相结合,兼具了陶瓷与电容结构的优点,被市场与研究领域广泛看好。电容感应的原理一般是:将传感器设计成一个电容结构,将电容的其中一个极板设计为可动结构。压力作用下,该可动电极发生形变或位移,使电容间距发生变化,传感器的电容值也随之改变。
金由于具有优异的稳定性和导电性能被广泛用作一些精密电子器件的电极材料。随着电子科学及电子产品的发展,电子薄膜器件越来越多的被研究和应用,比如半导体薄膜材料、介电和铁电薄膜材料。但是由于金在非金属薄膜材料上的吸附性较差,导致不能制备较厚的金电极层,从而影响了电极的电传导性能。除此之外,金在非金属薄膜上较差的吸附性,也严重影响了对金电极的精细加工,不利以金作为电极器件的小型化发展。
对于陶瓷电容式压力传感器电极传统工艺存在一些缺陷:(1)电极耐高温性能差,一些工艺制备的传感器电极在陶瓷片封接工艺中要经过高温烧结处理,高温烧结后电极材料会发生下渗或固态润湿,导致电极材料呈“孤岛”状,从而失去了电极的导电性能;(2)导电膜层太薄,导致电极与基底之间的附着力太低,电极引线制作困难,在使用中容易脱落等缺点。
丝网印刷工艺在压力传感器制备方面应用广泛,根据使用浆料的不同,不仅可以用来制备陶瓷电容粘接层,还可以使用导电浆料进行金属电极薄膜的制备。目前,丝网印刷工艺经过多次技术改进,可实现在基板上图案的精确印刷,提高了工作效率并保证了各批次内性能的一致性,并且能够在陶瓷基底上印刷较厚电极膜层,经过高温处理后具有良好的热稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,而提供一种工艺简单、导电性能好、与基底结合性能好且不易脱落、耐高温、耐腐蚀的陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤一:采用陶瓷材料作为陶瓷电容式压力传感器芯片的基底,经过表面打磨、清洗、烘干后备用;
步骤二:金浆配置:按重量百分比计算,将15wt.%~25wt.%乙基纤维素树脂加入到40wt.%~70wt.%有机溶剂中,纳米金颗粒含量为10wt.%~35wt.%,分散剂含量为3wt.%~6wt.%,在恒温水槽中加热至溶解完全,搅拌制得镀制电极用金浆;
步骤三:丝网印刷:将步骤二配置好的金浆,采用丝网印刷方法将金浆印刷在步骤一处理好后陶瓷表面;
步骤四:将步骤三中印刷好的陶瓷基底置于烘箱内烘干处理;
步骤五:将步骤四中烘干处理后的陶瓷基底置于高温炉内进行烧结,制得陶瓷电容式压力传感器电极。
上述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述表面打磨采用抛光机将陶瓷表面打磨,经过抛光后的陶瓷面粗糙度控制在0.5μm~5.0μm;所述清洗是酒精或丙酮超声清洗20min-120min;所述烘干是在烘箱内烘干,烘干温度控制在75℃~120℃,时间0.5h~2.0h。
上述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述的陶瓷材料为纯氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷,所述纯氧化物陶瓷为Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO或ThO2;所述非氧化物系陶瓷为为碳化物、硼化物、氮化物和硅化物陶瓷中的一种。
上述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤二中,所述的纳米金颗粒粒径为5nm~800nm,所述的溶剂为丁基卡必醇、松油醇中的一种或两种混合物,所述的分散剂为司盘85、大豆卵磷脂、鱼油的一种或两种混合物。所述加热温度为80℃~100℃;所述搅拌速度为300rpm~1000rpm,搅拌时间为1h~8h。
上述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤三中,所述的金浆粘度控制在60pa·s~300pa·s,丝网印刷次数为1-5次,网板目数为100目~800目,网板与陶瓷基底间距为0.5mm~20mm。
上述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤四中,所述烘干温度控制在80℃~110℃,烘干时间0.5h~2.0h。
上述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤五中所述的高温炉内烧结工艺为:烧结温度为400℃~1000℃,升温速度为1℃/min~20℃/min,保温时间0.5h~2.0h,自然降温。
上述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,所述的陶瓷电容式压力传感器电极的电阻值小于1.0Ω/cm2,金颗粒与基底界面结合强度大于20MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明制备的金电极厚度可控制性强,通过金浆的粘度、金颗粒含量、丝网印刷次数、网板目数等参数来调控金电极的厚度,且经过高温热处理后,导电颗粒处于连续状态。
2、本发明制备的金电极材料与基底结合强度高,在循环应力以及热循环作用下,电极不易脱落,抗疲劳性能好等优点。
3、本发明适用于大批量生产,产品均匀性好,质量一致性高,大大提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明制备一种陶瓷电容式压力传感器电极的工艺流程框图。
具体实施方式
实施案例1
步骤一:采用Al2O3陶瓷材料作为陶瓷电容式压力传感器芯片的基底,经过抛光机将陶瓷表面打磨,经过抛光后的陶瓷面粗糙度控制在0.5μm,然后采用酒精超声清洗20min,在烘箱内烘干,温度控制在75℃,时间2.0h。
步骤二:金浆配置:按重量百分比计算,将15wt.%乙基纤维素树脂加入到44wt.%丁基卡必醇溶液中,纳米金颗粒含量为35wt.%,纳米金颗粒粒径为5nm,分散剂含量为6wt.%,分散剂为司盘85,在恒温水槽中加热温度80℃中溶解完全,并不断搅拌,搅拌速度为300rpm,搅拌时间为8h。制得镀制电极用金浆。
步骤三:丝网印刷:将步骤二配置好的金浆,采用丝网印刷方法将金浆印刷在步骤一处理好后陶瓷表面。金浆粘度为60pa·s,丝网印刷次数为1次,网板目数为100目,网板与陶瓷基底间距为0.5mm。
步骤四:将步骤三中印刷好的陶瓷基底置于烘箱内烘干处理,烘干温度为80℃,时间2.0h。
步骤五:将步骤四中烘干处理后的陶瓷基底置于高温炉内进行烧结,烧结温度为400℃,升温速度为1℃/min,保温时间2.0h,自然降温。制得陶瓷电容式压力传感器电极。
采用本实施例制备的陶瓷电容式压力传感器电极,其最终产品电阻值小于0.9Ω/cm2,金颗粒与基底界面结合强度大于20MPa。
实施案例2
步骤一:采用ZrO2陶瓷材料作为陶瓷电容式压力传感器芯片的基底,经过抛光机将陶瓷表面打磨,经过抛光后的陶瓷面粗糙度控制在2.5μm,然后采用酒精超声清洗60min,在烘箱内烘干,温度控制在90℃,时间1.0h。
步骤二:金浆配置:按重量百分比计算,将20wt.%乙基纤维素树脂加入到56wt.%松油醇中,纳米金颗粒含量为20wt.%,纳米金颗粒粒径为100nm,分散剂含量为4wt.%,分散剂为大豆卵磷脂,在恒温水槽中加热温度90℃中溶解完全,并不断搅拌,搅拌速度为600rpm,搅拌时间为4h。制得镀制电极用金浆。
步骤三:丝网印刷:将步骤二配置好的金浆,采用丝网印刷方法将金浆印刷在步骤一处理好后陶瓷表面。金浆粘度为150pa·s,丝网印刷次数为3次,网板目数为400目,网板与陶瓷基底间距为10mm。
步骤四:将步骤三中印刷好的陶瓷基底置于烘箱内烘干处理,烘干温度为90℃,时间1.0h。
步骤五:将步骤四中烘干处理后的陶瓷基底置于高温炉内进行烧结,烧结温度为800℃,升温速度为5℃/min,保温时间1.0h,自然降温。制得陶瓷电容式压力传感器电极。
采用本实施例制备的陶瓷电容式压力传感器电极,其最终产品电阻值小于0.5Ω/cm2,金颗粒与基底界面结合强度大于25MPa。
实施案例3
步骤一:采用氮化硼陶瓷材料作为陶瓷电容式压力传感器芯片的基底,经过抛光机将陶瓷表面打磨,经过抛光后的陶瓷面粗糙度控制在5μm,然后采用酒精超声清洗120min,在烘箱内烘干,温度控制在110℃,时间0.5h。
步骤二:金浆配置:按重量百分比计算,将25wt.%乙基纤维素树脂加入到62wt.%有机溶剂中,有机溶剂为丁基卡必醇与松油醇按质量比1:1混合得到的混合溶液,纳米金颗粒含量为10wt.%,纳米金颗粒粒径为800nm,分散剂含量为3wt.%,分散剂为司盘85和鱼油按质量比1:1混合得到的混合物,在恒温水槽中加热温度110℃中溶解完全,并不断搅拌,搅拌速度为1000rpm,搅拌时间为1h。制得镀制电极用金浆。
步骤三:丝网印刷:将步骤二配置好的金浆,采用丝网印刷方法将金浆印刷在步骤一处理好后陶瓷表面。金浆粘度为300pa·s,丝网印刷次数为5次,网板目数为800目,网板与陶瓷基底间距为20mm。
步骤四:将步骤三中印刷好的陶瓷基底置于烘箱内烘干处理,烘干温度为110℃,时间0.5h。
步骤五:将步骤四中烘干处理后的陶瓷基底置于高温炉内进行烧结,烧结温度为1000℃,升温速度为20℃/min,保温时间0.5h,自然降温。制得陶瓷电容式压力传感器电极。
采用本实施例制备的陶瓷电容式压力传感器电极,其最终产品电阻值小于0.4Ω/cm2,金颗粒与基底界面结合强度大于30MPa。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
步骤一:采用陶瓷材料作为陶瓷电容式压力传感器芯片的基底,经过表面打磨、清洗、烘干后备用;
步骤二:金浆配置:按重量百分比计算,将15wt.%~25wt.%乙基纤维素树脂加入到40wt.%~70wt.%有机溶剂中,纳米金颗粒含量为10wt.%~35wt.%,分散剂含量为3wt.%~6wt.%,在恒温水槽中加热至溶解完全,搅拌制得镀制电极用金浆;
步骤三:丝网印刷:将步骤二配置好的金浆,采用丝网印刷方法将金浆印刷在步骤一处理好后陶瓷表面;
步骤四:将步骤三中印刷好的陶瓷基底置于烘箱内烘干处理;
步骤五:将步骤四中烘干处理后的陶瓷基底置于高温炉内进行烧结,制得陶瓷电容式压力传感器电极。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述表面打磨采用抛光机将陶瓷表面打磨,经过抛光后的陶瓷面粗糙度控制在0.5μm~5.0μm;所述清洗是酒精或丙酮超声清洗20min-120min;所述烘干是在烘箱内烘干,烘干温度控制在75℃~120℃,时间0.5h~2.0h。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述的陶瓷材料为纯氧化物陶瓷或非氧化物系陶瓷;所述纯氧化物陶瓷为Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO或ThO2;所述非氧化物系陶瓷为碳化物、硼化物、氮化物和硅化物陶瓷中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤二中,所述的纳米金颗粒粒径为5nm~800nm,所述的溶剂为丁基卡必醇、松油醇中的一种或两种混合物,所述的分散剂为司盘85、大豆卵磷脂、鱼油的一种或两种混合物;所述加热温度为80℃~100℃;所述搅拌速度为300rpm~1000rpm,搅拌时间为1h~8h。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤三中,所述的金浆粘度控制在60pa·s~300pa·s,丝网印刷次数为1-5次,网板目数为100目~800目,网板与陶瓷基底间距为0.5mm~20mm。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤四中,所述烘干温度控制在80℃~110℃,烘干时间0.5h~2.0h。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,步骤五中,所述的高温炉内烧结工艺为:烧结温度为400℃~1000℃,升温速度为1℃/min~20℃/min,保温时间0.5h~2.0h,自然降温。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器电极的制备方法,其特征在于,所述陶瓷电容式压力传感器电极的电阻值小于1.0Ω/cm2,金颗粒与基底界面结合强度大于20MPa。
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