CN115112289A - 差压传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种差压传感器，包括：底座；承载件，设置在底座上；陶瓷基板，具有支撑部与悬臂部，支撑部的底部承载在承载件的顶部，悬臂部具有形变区与受力区，形变区与支撑部相邻，受力区设置于悬臂部上远离支撑部的一端；形变区正、背表面烧结有四个厚膜电阻，这四个厚膜电阻构成惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出接入信号调理电路的输入端。此外，还提供了一种差压传感器的制作方法。陶瓷基板具有杨氏模量高，绝缘强度高的特点，厚膜电阻直接烧结在陶瓷基板有利于测量精度的提高，惠斯通电桥把压力转换为电信号，灵敏度较高，抗干扰能力强，使差压传感器的测量精度较高。缩小陶瓷基板的尺寸，可使差压传感器的体积较小。本差压传感器的成本较低。

Description

差压传感器及其制作方法

技术领域

本申请涉及压力传感器技术领域，特别是涉及一种差压传感器及其制作方法。

背景技术

压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。外力使压力敏感元件发生变化产生变化的电信号，信号处理单元将改电信号进行处理，输出对应的压力值，从而完成压力的检测。

按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。常用测量差压的压力传感器主要有三种：机械式压力传感器、金属悬梁贴半导体应变片式压力传感器与扩散硅式压力传感器。机械式压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力。金属电阻应变片是金属悬梁贴半导体应变片式压力传感器的压力敏感元件，金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。扩散硅式压力传感器是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。它能将感受到的液体或气体压力转换成标准的电信号对外输出，其广泛应用于供/排水、热力、石油、化工、冶金等工业过程现场测量和控制。

但是，上述常用测量差压的压力传感器中，机械式压力传感器测量精度较低，金属悬臂梁贴半导体应变片式传感器的应变片结构体积较大，扩散硅式压力传感器成本较高。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种测量精度较高、体积较小与成本较低的差压传感器及其制作方法。

一种差压传感器，包括：

底座；

承载件，设置在所述底座上；

陶瓷基板，具有支撑部与悬臂部，所述支撑部的底部承载在所述承载件的顶部，所述悬臂部具有形变区与受力区，所述形变区与所述支撑部相邻，所述受力区设置于所述悬臂部上远离所述支撑部的一端；与

厚膜电阻，所述形变区固定有四个厚膜电阻，所述四个厚膜电阻构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥的输出接信号调理电路的输入端。

在其中一个实施例中，所述受力区受力时，所述形变区发生形变，使固定在所述形变区的所述四个厚膜电阻的阻值发生变化，从而使所述惠斯通电桥产生一个与形变对应的电压变化量，所述电压变化量经所述信号调理电路处理后输出压差信号。

在其中一个实施例中，所述底座上设置有限位件，所述限位件用于限制在所述受力区受力时所述陶瓷基板的下压量。

在其中一个实施例中，所述限位件设置在所述受力区的下方。

在其中一个实施例中，所述承载件的顶端具有支点线，所述支撑部与形变区的相邻处在所述陶瓷基板的底面形成分界线，所述承载件在所述支点线处支撑在所述陶瓷基板的所述分界线处，所述悬臂部受到向下的压力时，所述形变区自所述分界线处开始发生形变。

在其中一个实施例中，所述四个厚膜电阻两两一对分别镜像设置在所述陶瓷基板的两面。

在其中一个实施例中，所述陶瓷基板为96％氧化铝陶瓷基片。

在其中一个实施例中，所述厚膜电阻烧结在所述陶瓷基板上。

在其中一个实施例中，所述悬臂部还具有信号处理区，所述信号处理区用于设置所述信号调理电路。

此外，还提供了一种差压传感器的制作方法，所述方法应用于上述所述的差压传感器的制作，包括：

将陶瓷基板上分割为支撑部与悬臂部，并在所述悬臂部相邻所述支撑部处划分出形变区；

采用丝网印刷在所述形变区烧结四个厚膜电阻，并使所述四个厚膜电阻连接形成惠斯通电桥；

在陶瓷基板上印制电路布图，并安装信号调理电路；

将陶瓷基板的支撑部支撑在承载件上，并将承载件安装在底座上。

上述差压传感器及其制作方法，在陶瓷基板设置形变区，并在形变区上固定厚膜电阻，陶瓷基板具有杨氏模量高、绝缘强度高的特点，厚膜电阻常用作精密电阻，厚膜电阻与陶瓷基板的结合有利于测量精度的提高，四个厚膜电阻组成的惠斯通电桥，利用电桥的输出原理，把压力转换为电信号，该电信号灵敏度较高，抗干扰能力强，使差压传感器的测量精度较高。同时，通过减小陶瓷基板的厚度，以及陶瓷基板支撑部与悬臂部的比例，可使悬臂部在接受更小的压力时就能发生形变，进而完成更小压力的测量，可进一步提高了差压检测的精度。而且，通过缩小陶瓷基板的尺寸，在不影响测量精度的前提下，可以使差压传感器的尺寸体积较小。另外，陶瓷基板、厚膜电阻以及信号调理电路的成本低，差压传感器的结构简单，成本较低。

附图说明

图1为一个实施例的差压传感器的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1中陶瓷基板的背面和正面示意图；

图4为一个实施例的差压传感器的电路原理图；

图5为一个实施例的差压传感器的制作方法流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本申请的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

除非另有定义，本申请的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本申请的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1、图2与图3所示，在一个实施例中，一种差压传感器，包括底座100、承载件200、陶瓷基板300与厚膜电阻400。

底座100，用于安装固定差压传感器的核心部件。

承载件200，设置在底座100上。通常，承载件200固定在底座100的上表面的一侧。

陶瓷基板300，具有支撑部310与悬臂部320，支撑部310的底部承载并固定在承载件200的顶部，悬臂部320悬空，以便于悬臂部320受到下压力时发生向下的弯曲形变。悬臂部320具有形变区322与受力区324，形变区322与支撑部310相邻，受力区324设置于悬臂部320上远离支撑部310的一端。具体的，受力区324为差压传感器的压力接收区，通常，受力区324的顶部具有受力点，受力点接收压力后，悬臂部320向下弯曲变形，这个形变会造成悬臂部320的形变区322的表面面积及形状发生微变化。

厚膜电阻400，形变区322固定有四个厚膜电阻400，四个厚膜电阻400构成惠斯通电桥，为惠斯通电桥的四个桥臂，在形变区322发生形变时，会促使惠斯通电桥的四个桥臂中的厚膜电阻阻值发生变化，根据惠斯通电桥的原理，电桥输出桥臂将产生一个与形变相对应的电压变化量，此变化量与悬臂部320的受力区324的受力的大小相对应，且线性。惠斯通电桥电连接信号调理电路，通过信号调理电路，将悬臂部320受压的作用力转换为可编程的模拟或数字信号输出，实现测量差压的目的。

上述差压传感器，在陶瓷基板设置形变区，并在形变区上固定厚膜电阻，陶瓷基板具有杨氏模量高、绝缘强度高的特点，厚膜电阻常用作精密电阻，厚膜电阻与陶瓷基板的结合有利于测量精度的提高，四个厚膜电阻组成的惠斯通电桥，利用电桥的输出原理，把压力转换为电信号，该电信号灵敏度较高，抗干扰能力强，使差压传感器的测量精度较高。同时，通过减小陶瓷基板的厚度，以及陶瓷基板支撑部与悬臂部的比例，可使悬臂部在接受更小的压力时就能发生形变，进而完成更小压力的测量，可进一步提高了差压检测的精度。而且，通过缩小陶瓷基板的尺寸，在不影响测量精度的前提下，可以使差压传感器的尺寸体积较小。另外，陶瓷基板、厚膜电阻以及信号调理电路的成本低，差压传感器的结构简单，成本较低。

在本实施例中，受力区324受力时，形变区322发生形变，使固定在形变区322的四个厚膜电阻400的阻值发生变化，从而使惠斯通电桥产生一个与形变对应的电压变化量，该电压变化量经信号调理电路处理后输出压差信号。在悬臂部320上具有信号处理区326，信号调理电路设置在该信号处理区326处。

关于信号调理电路，参加图4所示，为差压传感器的电路原理图，采用数字调理芯片作为信号调理电路。具体的数字调理芯片为DC102芯片。DC102芯片是一款专门用于差分电阻桥式或半桥式传感器信号的处理和输出CMOS集成电路，广泛应用于建筑自控，汽车、工业控制、办公自动化、白色家电等领域传感器信号调理。惠斯通电桥信号接入DC102芯片，通过DC102芯片内部高精度模数转换器采集及转换，由芯片对采集到的数据进行处理，并通过单线接口将数字或模拟输出，方便控制电路对信号的读取和处理。对于惠斯通电桥信号，DC102芯片可进行高精度放大和高达14bit的模数转换。内置放大器的增益和模拟信号输入范围的偏移是可设置的。DC102芯片集成了内置的温度传感器(或可以采用外部温度传感器)，可输出经过数字补偿的温度信息。DC102芯片带有数字信号处理电路，可对传感器的测量结果进行数字补偿，包括对信号的偏移、灵敏度、温度漂移和非线性进行一阶或二阶的补偿。放大器增益、信号输入范围、补偿算法的系数等数据可以通过单线接口写入芯片集成的电可擦除存储器(EEPROM)中，DC102芯片还带有12-bit的DAC和输出缓冲器，可以方便地输出与传感器差分输入成比例线性关系的模拟信号。在外接一个场效应晶体管组成稳压电路后，DC102可直接在最高达30V的电源电压工作，方便地满足许多工业控制应用的需求。DC102芯片管脚定义如表1所示：

表1

具体的，DC102芯片的Bsink引脚、VBP引脚、VBN引脚分别接厚膜电阻组成的惠斯通电桥的三个接线端，惠斯通电桥的第四个接线端通过JFET(Junction Field-EffectTransistor，结型场效应晶体管)接输入电压。JFET的栅极接GATE引脚，ExTemp引脚通过二极管接地，VDD引脚接JEFT的源极，并通过电容接地，VSS引脚接地，SIO引脚作为信号输出端。DC102芯片自带温度补偿，降低了温度变化对差压传感器的干扰。图4中虚线连接以及Optional，表示可选择性的连接。Ground表示接地。OUT表示DC102芯片的输出信号。

在本实施例在，底座100上设置有限位件110，限位件110用于限制在受力区324受力时，陶瓷基板300的下压量，以限制形变区322的形变量，保护陶瓷基板不受过载损坏。

具体的，限位件110设置在受力区324的下方。在受力区324的顶部受到向下的压力后，悬臂部320向下弯曲，形变区322形变，形变区322的厚膜电阻400的阻值发生变化，当下压至悬臂部320的底部与限位件110的顶部接触时，形变区322的形变量最大，正面厚膜电阻400的阻值变得最大，同时背面两颗厚膜电阻因压缩而阻值变得最小，这种条件下，惠斯通电桥的输出最大。限位件110的作用是对陶瓷基板300起到过载保护，使之在过载条件下不损坏。

在本实施例中，承载件200的顶端具有支点线210，支撑部310与形变区322的相邻处在陶瓷基板300的底面形成分界线。承载件200在支点线210处支撑在陶瓷基板300的分界线处。当悬臂部320受到向下的压力时，形变区322自分界线处开始发生形变。支点线210是起主要支托作用的连线，在悬臂部320下压时，在支点线210处陶瓷基板300与承载件200之间的相互作用力较强。支点线210与分界线平行，支点线210的质量，或者说支点线210表面的笔直平滑精度，与分界线的质量，或者说分界线表面的笔直平滑精度，以及支点线210与分界线之间的平行精度，决定着形变区322发生形变时的稳定度，对厚膜电阻400的阻值变化的精度和稳定具有较大的影响。同时，也影响陶瓷基板300与承载件200的使用寿命，也就是对差压传感器的使用寿命有影响。

在本实施例中，四个厚膜电阻400两两一对分别镜像设置在陶瓷基板300的两面。陶瓷基板300受力下压时，正面(上表面)的两个厚膜电阻400的阻值增大，背面(下表面)的两个厚膜电阻阻值减小。陶瓷基板300为96％氧化铝陶瓷基片。厚膜电阻400烧结在陶瓷基板300上。利用96％氧化铝陶瓷基片的杨氏模量高、绝缘强度高、耐高温、抗腐蚀能力强、加工效率高、成本低等特点，使用96％氧化铝陶瓷基片作为主体结构，在悬臂部320的形变区322运用丝网印刷技术，直接在96％氧化铝陶瓷基片上烧结厚膜电阻400，组成惠斯通电桥，利用电桥的输出原理，把压力转换为电信号，该信号灵敏度极高，抗干扰能力强，可用于测量微差压，且通过基片上集成的信号调理电路，获得可编程的模拟或数字输出信号。采用丝印厚膜电路技术及SMT(Surface Mounted Technology，表面贴装)技术，制造过程适合自动化大生产，生产效率极高、物料成本低。另外，本申请的差压传感器采用力-电一体化技术，传感器自带温度补偿，极大提高了后续应用产品的组装、调试效率。通过对悬臂部320与支撑部310长宽比或陶瓷基板300厚度的调整，可制造出极宽的测量范围。

上述差压传感器的工作原理：当陶瓷基板300的受力点受到向下压力时，陶瓷基板300将沿着支点线产生一个向下弯曲的形变，这个形变会造成陶瓷基板300的变形区322的表面面积及形状发生微变化，在陶瓷基片300的形变区322的正反二面，烧结了由四颗厚膜电阻400组成的惠斯通电桥，基板表面面积及形状的改变造成了烧结其上的厚膜电阻400阻值发生变化，根据惠斯通电桥的原理，电桥输出桥臂将产生一个与形变相对应的电压变化量，此变化量与悬臂部320结构的受力的大小相对应，且线性。通过集成在陶瓷基板300上的信号调理电路，将悬臂部320受压的作用力转换为可编程的模拟或数字信号输出，实现测量差压的目的。

此外，本申请还提供了一种差压传感器的制作方法，该方法应用于上述所述的差压传感器的制作。

如图5所示，在一个实施例中，一种差压传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤S510，将陶瓷基板上分割为支撑部与悬臂部，并在悬臂部相邻支撑部处划分出形变区。

步骤S520，采用丝网印刷在形变区烧结四个厚膜电阻，并使四个厚膜电阻连接形成惠斯通电桥。

步骤S530，在陶瓷基板上印制电路布图，并安装信号调理电路。

步骤S540，将陶瓷基板的支撑部支撑在承载件上，并将承载件安装在底座上。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种差压传感器，其特征在于，包括：

底座；

承载件，设置在所述底座上；

陶瓷基板，具有支撑部与悬臂部，所述支撑部的底部承载在所述承载件的顶部，所述悬臂部具有形变区与受力区，所述形变区与所述支撑部相邻，所述受力区设置于所述悬臂部上远离所述支撑部的一端；与

厚膜电阻，所述形变区固定有四个厚膜电阻，所述四个厚膜电阻构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥的输出接信号调理电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的差压传感器，其特征在于，所述受力区受力时，所述形变区发生形变，使固定在所述形变区的所述四个厚膜电阻的阻值发生变化，从而使所述惠斯通电桥产生一个与形变对应的电压变化量，所述电压变化量经所述信号调理电路处理后输出压差信号。

3.根据权利要求1所述的差压传感器，其特征在于，所述底座上设置有限位件，所述限位件用于限制在所述受力区受力时所述陶瓷基板的下压量。

4.根据权利要求3所述的差压传感器，其特征在于，所述限位件设置在所述受力区的下方。

5.根据权利要求1所述的差压传感器，其特征在于，所述承载件的顶端具有支点线，所述支撑部与形变区的相邻处在所述陶瓷基板的底面形成分界线，所述承载件在所述支点线处支撑在所述陶瓷基板的所述分界线处，所述悬臂部受到向下的压力时，所述形变区自所述分界线处开始发生形变。

6.根据权利要求1所述的差压传感器，其特征在于，所述四个厚膜电阻两两一对分别镜像设置在所述陶瓷基板的两面。

7.根据权利要求6所述的差压传感器，其特征在于，所述陶瓷基板为96％氧化铝陶瓷基片。

8.根据权利要求7所述的差压传感器，其特征在于，所述厚膜电阻烧结在所述陶瓷基板上。

9.根据权利要求1所述的差压传感器，其特征在于，所述悬臂部还具有信号处理区，所述信号处理区用于设置所述信号调理电路。

10.一种差压传感器的制作方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至9中任意一项所述的差压传感器的制作，包括：

将陶瓷基板上分割为支撑部与悬臂部，并在所述悬臂部相邻所述支撑部处划分出形变区；

采用丝网印刷在所述形变区烧结四个厚膜电阻，并使所述四个厚膜电阻连接形成惠斯通电桥；

在陶瓷基板上印制电路布图，并安装信号调理电路；

将陶瓷基板的支撑部支撑在承载件上，并将承载件安装在底座上。

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