CN1142049A - 陶瓷电容式压力变送器及制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种陶瓷电容式压力变送器及制作工艺，是由陶瓷电容式压力传感器与厚膜集成混合电路组成，在陶瓷基座2的A-A表面设电容极板6，电容极板8，在陶瓷膜片11的B-B表面设电容极板10，在电容极板10与8、6间设圆环台阶1，厚膜集成混合电路由集成电路芯片IC和电阻电容采用厚膜电路技术集成固化在陶瓷基片4上，然后粘结在陶瓷基座2的上表面，本发明是电容式压力变送器的换代产品，是目前较为理想的压力、液位测量装置。

Description

陶瓷电容式压力变送器及制作工艺

本发明涉及的陶瓷电容式压力变送器及制作工艺，属基本电气元件的结构、制作工艺及把电容器受的压力信号转换成电压信号的电路变送器。

现有的电容式压力变送器，中介质为液体、容易渗漏，造成压力测量不准，温度漂移大，过压冲击差，抗干扰能力差，适用范围小，安装维修不便。

本发明的目的旨在改进上述不足，提供一种利用陶瓷膜片上镀上一层金属膜，与陶瓷基座的金属膜形成一定间隙，则构成一定容量的电容器，当陶瓷膜片受压力时，将引起微小的弹性挠曲变形，造成两极板间隙的减小，使电容量增加，设计成厚膜集成混合电路用厚膜电路技术集成固化在陶瓷基片上，粘结在陶瓷基座上，利用电容量的增量与其感受压力成正比关系，把电容信号转换成电压信号，放大后输出传送到配套的显示电路上的陶瓷电容式压力变送器及制造工艺。

为了达到上述目的，陶瓷电容式压力变送器是由陶瓷电容式压力传感器与厚膜集成混合电路组成，陶瓷电容式压力传感器具有陶瓷基座2、陶瓷膜片11，厚膜集成混合电路由集成电路芯片IC和电阻、电容组成的厚膜混合电路构成，其特点是在陶瓷基座2的A-A表面上的中间设平整圆面6(电容极板6)，在平整圆面6的外环上设开口圆环8(电容极板8)，在陶瓷膜片11的B-B面设一层金质膜10(电容极板10)，为了防止陶瓷膜片11受到大压力时电容器极板短路，在电容极板8、6、10(开口圆环8、平整圆面6、金质膜10)上设一层二氧化硅薄膜，为了支撑电容器极板10和极板8、6间的间隙，在陶瓷基座2的A-A表面与陶瓷膜片11的B-B表面之间的外环上设圆环台阶1，圆环台阶1的高度为0.01-0.008mm为好，圆环台阶1的高度恰是电容器极板10与极板8、6之间的间隙d，在电容器三个极板10、6、8引出三根引线7、5、3，在陶瓷基座2上预先开出三个孔，通过三孔将引线7、5、3引出，这样便构成了一个测量电容器和基准电容器组合的陶瓷电容式压力传感器，用此测得的压力为绝对压力，若要测量表压则要在陶瓷基座2上设一个通气孔9。此孔将电容器间隙d与大气相通。为了将电容信号转换成电压信号，在陶瓷基座2上表面设陶瓷基片4，并将测量电容C_p和基准电容器C_nf的三根引线5、3、7接到厚膜集成混合电路的输入端，即接入集成电路IC的④、③脚上，公共极板7与地线相连。此时已将陶瓷电容式压力传感器和厚膜集成混合电路组成一个完整的陶瓷电容式压力变送器(如图6所示)。厚膜集成混合电路主要由集成电路芯片IC和电阻、电容组成的厚膜电路，其中IC芯片内含有一个50KHz的脉冲振荡器，电压放大器和温度补偿电路。陶瓷电容式压力变送器传感器电容量的变化将会引起厚膜集成混合电路中电信号的相应变化，其工作原理通过图7说明，厚膜集成混合电路中的脉冲振荡器提供基础信号，脉冲振荡器产生的50KHz振荡脉冲信号电压经外接厚膜电路中的C₂、C₄，二极管D₁、D₄加到陶瓷电容式压力传感器5、7(C_p)和3、7(C_nf)上，当振荡电压为高电平时，有两条充电回路，一路为IC⑧脚→C₂→IC⑦脚→D₃→IC③脚→C_nf，另一路为IC⑧脚→C₄→IC⑨脚→D₂→IC④脚→C_p，放电回路也有两条，一路为C_p→D₄→C₂→信号源E，另一路是C_nf→D₁→C₄→信号源E。当陶瓷电容式压力传感器的陶瓷膜片11未受力时，C_p＝C_nf，ΔC＝0，当受力时，C_p＞C_nf，ΔC＝C_p－C_nf＞0，受力越大ΔC＝C_p－C_nf也越大，由于充、放电路的不同，在电容器C₂上有一个累积电荷ΔQ，ΔQ与ΔC成正比，由累积电荷ΔQ的作用，经电容C₅、电阻R₀₁的滤波作用，在IC脚上得到一个与ΔC成正比的直流电压V₁₁，V₁₁经运算放大器放大后由集成电路芯片脚输出并通过压力变送器的信号输出端14传送显示电路，即完成压力P→电容ΔC→电压V的转换。集成电路芯片IC⑩脚处提供一个3V的恒压源，经R₅给运算放大器反相输入端提供一个偏置电压，另一路经R₆、R₇、R₈给二极管D₁、D₂提供一个偏置电压，调整电阻R₆、R₇的阻值将影响IC⑨脚上的电压，使C₂上的累积电荷发生变化，IC⑨脚上电压升高时，C₂上的累积电荷增加，IC脚电平升高，从而达到调整修正之目的。

为了达到上述目的，陶瓷电容式压力变送器的制作工艺是这样实现的，由陶瓷电容式压力传感器制作工艺、厚膜集成混合电路制作工艺组成，为了保证陶瓷膜片11和陶瓷基座2的致密性、均匀性和一致性，并具有良好的绝缘性，选用纯度为96％氧化铝粉原料，对原料必须进行预先处理和充分球磨，使氧化铝粉粒度均在0.5um以下，要求陶瓷材料气孔率尽量小，因此需采用静水压成型，热压通氧烧成，将待烧结的坯料初型分别装入陶瓷膜片11、陶瓷基座2的热压膜内加温烧成，其特点是待加温到1100℃坯料开始致密化，故在此温度下逐步加压，当其温度达到最终温度1500℃时，压力也达到最大压力100-200kg/cm²，在1500℃下保温1-2小时，然后去掉压力降温到850℃，保温处理2小时，最后把烧成的陶瓷膜片11、陶瓷基座2在磨床上精密加工表面抛光而成，表面要平整光洁特别是陶瓷膜片的厚度尺寸要严格达到精度要求，这样做的目的使其具有优良的弹性模量达到一定量程的规格标准。然后在陶瓷基座2的A-A表面上(图1、图4所示)用丝网印制一层均匀平整圆面6(电容极板6)、开口圆环8(电容极板8)的金质膜并在800℃烧结牢固，这样便分别形成测量电容器6和基准电容器8的两个极板，在陶瓷膜片11的B-B面上用丝网印制一层均匀平整金质膜10(电容极板10)，这就构成以金质膜10为公共极板的测量电容器6(图7中的C_p)和基准电容器8(图7中的C_nf)，为了保护金质膜8、6、10，又在其上沉积一层二氧化硅薄膜，在600℃下烧结固化，烧结时间为50-70分钟，固化时间为50-70分钟，这层二氧化硅薄膜在陶瓷膜片11受到过大压力时，它起到防止电容器极板短路，使其能承受数倍甚至上百倍的过压以至承受冲击压力，电容器极板10和电容器极板8、6间的间隙是由圆环台阶1支撑形成，此间隙的大小对电容器的容量和感器性能的影响极大需特殊工艺保证，采用小于0.008mm粒度的玻璃微粉配合粘结剂、固化剂，经丝网印制圆环台阶1并用定位工装精心控制间隙尺寸。间隙的大小一般控制在0.01-0.008mm，另外电容器的三个极板8、6、10的引出线3、5、7用导电胶连接，通过陶瓷基座2上预先开出的三个孔引出，并将开口密封。这样便构成了一个由测量电容器和基准电容器组合的陶瓷电容式压力传感器，用此测得的压力为绝对压力，若要测量表压则要在陶瓷基座2上再开一个通气孔9，此孔将电容器间隙与大气相通，然后将陶瓷基片4用粘结剂粘结在陶瓷电容式压力传感器的陶瓷基座2上表面，陶瓷基片4是将集成电路芯片IC、部分电容、电阻元件用厚膜电路技术集成固化在陶瓷基片4上，此时已将陶瓷电容式压力传感器和厚膜集成混合电路组装成一个完整的陶瓷电容式压力变送器。

陶瓷电容式压力传感器的基本原理：在陶瓷膜片11和陶瓷基座2形成的测量电容器C_p(引线5两端，也是电容器6)、基准电容器C_nf(引线3两端，也是电容器8)，见图7，在静态时(不受力时)C_p＝C_nf(由制造工艺保证)，其差值ΔC＝C_p－C_nf＝0，当陶瓷膜片11受力时，则陶瓷膜片11产生弹性变形(如图5所示)，电容器极板间的间隙d(平均值)受压力而减小，中心变形最大，其间隙减小最甚，而在周边位置其间隙减小甚微，与此相对应电容器C_p在中心位置电容增大，电容器C_nf在周边位置，电容量增加不大，此时电容差为：

ΔC＝C_p－C_nf

随着陶瓷膜片11受压力的增加，ΔC＝C_p－C_nf，其容差也相应增大，在陶瓷膜片的弹性变化范围大，其压力和容差ΔC之间的变化关系是接近线性的，这就是利用陶瓷电容来测量压力的理论基础，采用测量电容器和基准电容器二个容差的道理就在于提高测量的精度和稳定性。

厚膜集成混合电路的应用原理：用陶瓷电容式压力传感器来检测压力具有很好稳定性和较高的线性精度，但由于电容量变化较小，全量程也只有几十个微微法，因此，对微弱信号的搜集、变换、传输采用了脉冲调制和厚膜电路技术，将电容ΔC的变化信号转换为电压信号输出，实现了对压力的测量显示。

本发明采用了先进电子陶瓷技术，无中介液的干式压力测量技术、厚膜电子技术、表面安装技术、脉冲频率信号调制传输技术，它与目前使用的电容式压力变送器比较有两个显著不同的技术特点，一是测量元件采用新兴的陶瓷材料，二是测量元件内无中介液体，是完全固体的，因而该发明获得了优越的技术性能，经试用检测，其主要技术特性如下：

(1)、抗过载抗冲击能力强，过压可达量程的数倍甚至百倍。甚至用硬物敲打测量元件也不致其损坏，且对测量精度毫无影响。

(2)、稳定性高，每年优于0.1％满量程。这个技术指标比其它电容式压力变送器要高出数倍。

(3)、温度漂移小，由于采用了低漂移集成芯片和取消了压力测量元件中的介液，因而传感器不仅获得了很高测量精度，且受温度梯度影响极小：±0.15％/10℃，当温度从-20℃变化到+70℃时，温度变化的影响小于1％。

(4)抗干扰能力强，本发明具有脉冲频率调制(PFM)信号输出。使其数字信号传送无须采用屏蔽导线，可达1000米距离，即使与动力电源线敷设在一起也不受干扰影响。

(5)、适用性广，本发明可制成多种型号，适应各种场合和介质。

(6)、安装维修简便，因为产品结构独特，简单合理，且体积小，重量轻，故无须支架，无须水平安装，可直接、任意安装在管路上，而不影响零点、测量精度。

本发明无论从结构、工艺、还是信号转换，均能达到要求，是目前用在压力液位测量的一种比较理想的陶瓷压力变送器。

附图说明：

图1是陶瓷电容式压力变送器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1的A-A剖视图；

图5是陶瓷电容式压力传感器受力结构变化示意图；

图6为陶瓷电容式压力变送器的原理示意图；

图7是电容信号转化为电信号的工作原理图。

附图图面说明：

1圆环台阶，2陶瓷基座，3引线，4陶瓷基片，5引线，6圆面(电容极板6，也称测量电容器6)，7引线，8开口圆环(电容极板8，也称基准电容器8)，9通气孔，10金质膜(电容极板10)，11陶瓷膜片，12电源正极，13接地端，14信号输出端，IC集成电路芯片，①-IC脚，R₁-68K、R₂-40K、R₃-136K、R₄-可调电阻、R₅-2.76K、R₆-1K、R₇-35K、R₈-17K、R₉-IC内部电阻、R₀₁-28K、R₀₂-28K、C₁-0.01nF、C₂-4.56nF、C₃-IC内部电容、C₄-4.9nF、C₅-0.01nF、C_p测量电容器6、C_nf基准电容器8、D₁-D₄二极管、E信号源。

为了更好地理解与实施，下面以附图为实例进一步说明如下：陶瓷基座2、陶瓷膜片11采用纯度为96％氧化铝粉充分球磨，使微粉粒度在显微镜下观察均在0.5um以下，要求陶瓷材料气孔率尽量小，采用静水压力成型，加熟通氧烧成，将待烧结的坯料初型分别装入陶瓷膜片11、陶瓷基座2的热压膜内加温烧成，(在陶瓷基座2上提前预留3、5、7接线孔)，温度从1100℃-1500℃变化，压力逐步达到最大压力100-200kg/cm²，在1500℃下保温1-2小时，然后去掉压力降温到850℃，保温处理2小时，把烧成的陶瓷膜片、陶瓷基座在磨床上精密加工表面抛光而成。然后在陶瓷基座2的A-A表面上用丝网印制一层均匀平整圆面6(形成极板6)和开口圆环8(形成极板8)的金质膜并在800℃烧结牢固，公共极板10在陶瓷膜片11的B-B面上用同一材料和工艺制成，然后在金质膜8、6、10上沉积、600℃烧结固化一层二氧化硅薄膜，烧结时间为50-70分钟，固化时间为50-70分钟，电容器极板10和极板8、6间的间隙由圆环台阶1支撑形成，采用小于0.008mm粒度的玻璃微粉，用粘结剂、固化剂搅合一起，用丝网印制圆环台阶1并用定位工装控制间隙尺寸，间隙的大小一般控制在0.01-0.008mm为好。用金属引线将引线3、5、7与相应的电容极板8、6、10用导电胶连接并将开口密封，通过陶瓷基座2上预先开出的三个孔引出，这样便构成了一个由测量电容器和基准电容器组合的陶瓷电容式压力传感器，用此测得的压力为绝对压力，若要测量表压则要在陶瓷基座2上再开一个通气孔9。为测量某一部位所受的压力有多少，而又可直观的反映在人们眼前，在陶瓷电容式压力传感器上增设陶瓷基片4，陶瓷基片4是由集成电路芯片IC连同电阻、电容组成的厚膜混合电路采用厚膜电路技术集成固化在陶瓷基片4上，采用粘结剂粘结在陶瓷电容式压力传感器的陶瓷基座2上表面，并将测量电容器和基准电容器的三个引线3、5、7连接到厚膜混合电路的输入端，即3、5分别接入集成电路IC的③、④脚上，公共极板7与地线相连。在陶瓷基片4上引出电源正极12、接地端13、信号输出端14，这样由集成电路芯片IC和由电阻、电容、二极管组成的厚膜混合电路所构成的厚膜集成混合电路与陶瓷电容式压力传感器组装成一个完整的陶瓷电容式压力变送器。将集成电路芯片IC脚输出，并通过信号输出端14传送到配套显示电路上即可。

陶瓷电容式压力传感器的制造不可能没有误差，也不可能是绝对线性的，这样就存在一个与厚膜混合电路的匹配问题，线性的补偿问题，此问题解决则是靠厚膜电路技术来实现，具体就是靠厚膜电路激光功能调阻技术来达到。其调整方法简要说明如下：陶瓷电容式压力传感器和厚膜混合电路连接后(如图6所示)，首先遇到的是调零点，即当传感器未施加压力时，变送器信号输出端14应是0.4V，如果不是0.4V就须用激光调阻设备精确的修正电阻R₇、R₆、R₂使IC脚输出，符合要求的电压0.4V；另一个就是满刻度值的调整，当传感器承受满量程压力时，变送器输出电压应为4.5V，如果不是此值则须用激光调整电阻R₄以改变运算放大器的放大倍数，使IC脚输出电压为规定的4.5V，这就是激光调整的基本方法，当需测量某一部位的压力值时，把陶瓷电容式压力变送器放到此位置，将信号输出端14与地线13用传输线接到配套显示电路上，可直接显示出所测的压力。

Claims (5)

1、一种陶瓷电容式压力变送器，是由陶瓷电容式压力传感器与厚膜集成混合电路组成，陶瓷电容式压力传感器具有陶瓷基座(2)、陶瓷膜片(11)，厚膜集成混合电路由集成电路芯片(IC)和电阻、电容组成的厚膜混合电路构成，其特征是在陶瓷基座(2)的A-A表面上的中间设电容极板(6)，在电容极板(6)的外环上设电容极板(8)，在陶瓷膜片(11)的B-B面设电容极板(10)，在电容极板(8)、电容极板(6)、电容极板(10)上设一层二氧化硅薄膜，在陶瓷基座(2)的A-A表面与陶瓷膜片(11)的B-B表面之间的外环上设圆环台阶(1)，在电容器三个极板(10、6、8)引出三根引线(7、5、3)，三根引线(7、5、3)通过陶瓷基座(2)上预先开的孔引出，在陶瓷基座(2)上设通气孔(9)，通气孔(9)与电容器间隙(d)与大气相通，在陶瓷基座(2)上表面设陶瓷基片(4)，三根引线(5、3、7)接入集成电路(IC)的④、③脚及地线上。

2、按权利要求1所述的陶瓷电容式压力变送器，其特征是圆环台阶(1)的高度为0.01-0.008mm为好。

3、按权利要求1所述的陶瓷电容式压力变送器，其特征是厚膜集成混合电路有两条充电回路，一路为(IC)⑧脚→(C₂)⑦脚→(D₃)→(IC)③脚→(C_nf)，另一路为(IC)⑧脚→(C₄)→(IC)⑨脚→(D₂)→(IC)④脚→(C_p)，放电回路有两条，一路为(C_p)→(D₄)→(C₂)→信号源(E)，另一路为(C_nf)→(D₁)→(C₄)→信号源(E)。

4、一种制造权利要求1所述的陶瓷电容式压力变送的制作工艺，由陶瓷电容式压力传感器制作工艺、厚膜集成混合电路制作工艺组成，先对原料进行处理和充分球磨，使氧化铝粉粒度均在0.5um以下，采用静水压成型，熟压通氧烧成，将待烧结的坯料初型分别装入陶瓷膜片(11)、陶瓷基座(2)的热压膜内加温烧成，其特征是待加温到1100℃时，逐步加压，当其温度达到最终温度1500℃时，压力也达到最大压力100-200kg/cm²，在1500℃下保温1-2小时，然后去掉压力降温到850℃，保温处理2小时，最后把烧成的陶瓷膜片(11)、陶瓷基座(2)在磨床上精密加工表面抛光而成，然后在陶瓷基座(2)的A-A表面用丝网印制一层均匀平整圆面(6)、开口圆环(8)的金质膜并在800℃烧结牢固，在陶瓷膜片(11)的B-B面上用丝网印制一层均匀平整金质膜(10)，在金质膜(8、6、10)上沉积一层二氧化硅薄膜，在600℃下烧结固化，烧结时间为50-70分钟，固化时间为50-70分钟，然后采用小于0.008mm粒度的玻璃微粉配合粘结剂、固化剂，用丝网在电容器极板(10)和电容器极板(8、6)间印制圆环台阶(1)，用导电胶通过三根引线(3、5、7)分别连接在电容器三个极板(8、6、10)上，并在陶瓷基座(2)上开一个通气孔(9)，然后将陶瓷基片(4)用粘结剂粘结在陶瓷基座(2)上表面。

5、按权利要求4所述的陶瓷电容式压力变送器的制作工艺，其特征是陶瓷基片(4)是将集成电路芯片(IC)、部分电容、电阻元件用厚膜电路技术集成固化在其上，然后在粘结在陶瓷基座(2)上表面。

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