CN115711695B - 金属基陶瓷压力传感器、其制备工艺及制备工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属基陶瓷压力传感器，包括陶瓷基底以及固定连接在陶瓷基底上端面的合金弹性膜，合金弹性膜其面向陶瓷基底的表面设置四个厚膜电阻，陶瓷基底其面向厚膜电阻的一面设有用于避免厚膜电阻对弹性合金膜的背面产生挤压力的盲孔。本发明还公开了金属基陶瓷压力传感器的制备工艺及制备工装，烧结炉内采用氮气气氛保护，烧结炉内设有减少气流湍流的结构。本发明采用氮气气氛保护，保证了试样成型过程中的密闭环境，避免气体逸散，避免陶瓷坯体塌陷；通过ATF工艺使用的陶瓷焙烧后对金属衬底的强附着力可以避免遇到高温时，击穿这些由本发明的具有陶瓷涂层的物体形成的器件。盲孔的设置可以避免厚膜电阻对合金弹性膜产生挤压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基陶瓷压力传感器、其制备工艺及制备工装。
背景技术
压力传感器是被使用最广泛的一类传感器，过去国内外一直以电阻应变式为主，主要包括金属箔式和硅压阻式2种，但都存在一些不足。金属箔式应变计灵敏度低，且易受温湿度等环境因素影响而老化，产生零点漂移和迟滞增大；硅压阻式应变系数高，对温度非常敏感，工作温度区间较窄(60℃以下)，测量腐蚀性流体介质时需隔离，结构复杂、成本较高，限制了其应用场合。后来，虽有薄膜应变式压力传感器出现，但由于成本等因素，其应用也受到一定限制。相比于压电式传感器,共烧陶瓷电容式传感器具有材料来源广泛、制备工艺简单的特点。然而，陶瓷压力传感器由于使用陶瓷材料，由于陶瓷本身的性质如刚度高，导致寿命短，性能差。公开号为CN1938571的专利：一种传感器装置以及形成该传感器装置的方法。金属膜片可以分子结合到陶瓷材料上以形成其陶瓷表面。桥式电路连接到金属膜片的陶瓷表面上。压力传感还设置有压力输入端口，其中压力输入端口连接到金属膜片，从而形成包括金属膜片、桥式电路和压力输入端口的传感器装置。金属膜片优选地焊接到压力输入端口。金属膜片和其陶瓷表面优选地在至少40℃到150℃的温度范围上工作，传感器装置也是如此。传感器装置作为能够用于腐蚀性介质和高温应用的压力传感器来使用。其采用金属基陶瓷压力传感器，其主要解决的是在腐蚀性环境或高温环境中的应用，但未解决超出膜片可承受压力时厚膜电阻对合金弹性膜产生挤压力以及陶瓷基底烧结时塌陷的问题。公开号为CN108362434A的专利：一种陶瓷压力传感器膜片结构，包括合金弹性膜，所述合金弹性膜的背面印刷有四个厚膜电阻，四个厚膜电阻连接形成惠斯通电桥，所述合金弹性膜背面还设有穹顶形的保护罩，所述保护罩上位于厚膜电阻的上方设有通孔，所述保护罩的背面设有四个焊盘，四个所述焊盘分别通过导线与惠斯通电桥连接。本发明的有益效果是：在合金弹性膜的背面设置穹顶形的保护罩，保护罩用于防止合金弹性膜在受到超过其可承受压力时二出现塑性变形或破裂；在保护罩上位于厚膜电阻的上方设置通孔，使合金弹性膜在受到接近或超过其可承受压力时，厚膜电阻位于通孔中不会对合金弹性膜的背面产生挤压力。虽然可以避免厚膜电阻对合金弹性膜的背面产生挤压力，但其方式需在合金弹性膜的背面设置穹顶形的保护罩，为保证方案的实施，需要在陶瓷基底上开挖容置保护罩的凹槽。另外，在陶瓷基底烧结时，存在氧气与支撑剂中碳反应生成一氧化碳或二氧化碳气体，而使得烧结后的陶瓷基底塌陷的问题。另外，由于湍流作用，目前是越靠近炉膛中心附近的区域（而非炉膛正中心），陶瓷基底受气体流动所引发的温度场扰动干扰越小，所以目前只有靠近炉膛中心附近的区域烧结的陶瓷基底的质量好，平整不翘曲。如何降低气流湍动而提高烧结的陶瓷基底的质量是本领域亟需解决的另一问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种金属基陶瓷压力传感器，采用氮气气氛保护，保证了试样成型过程中的密闭环境，避免气体逸散，避免陶瓷坯体塌陷；通过ATF工艺使用的陶瓷焙烧后对金属衬底的强附着力可以避免遇到高温时，击穿这些由本发明的具有陶瓷涂层的物体形成的器件。盲孔的设置可以避免厚膜电阻对合金弹性膜产生挤压力。在烧结炉内设置减少气流湍流的机构，使得试样受气体流动所引发的温度场扰动干扰小，可以保证烧结后的陶瓷基底不翘曲、不凹陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种金属基陶瓷压力传感器，包括陶瓷基底以及固定连接在陶瓷基底上端面的合金弹性膜，合金弹性膜其面向陶瓷基底的表面设置四个厚膜电阻，陶瓷基底其面向厚膜电阻的一面设有用于避免厚膜电阻对弹性合金膜的背面产生挤压力的盲孔；
正对位于合金弹性膜中央的两个厚膜电阻的盲孔呈与前述厚膜电阻拉伸后形状适配的方孔形；正对被轴向挤压产生压缩应变的两个厚膜电阻的盲孔呈与前述厚膜电阻压缩后形状适配的方孔形。合金弹性膜上均匀设置有与陶瓷基底上的四个通孔分别连接的四个焊盘，所述厚膜电阻与焊盘相连接以构成惠斯顿电桥。只需在陶瓷基底的上表面设置盲孔即可避免厚膜电阻对弹性合金膜的背面产生挤压力。并且盲孔设置的形状位置不是与厚膜电阻的位置形状相适配而是与变形后的厚膜电阻的位置形状相适配，这样设计更符合实际，更能起到保护厚膜电阻，避免厚膜电阻对弹性合金膜的背面产生挤压力的问题。将金属膜片以分子结合方式结合到陶瓷材料上以便形成其陶瓷表面；可以通过丝网印刷技术将厚膜电阻( 钌酸盐浆料) 和导电带( Ag /Pb 浆料) 掩模转印到弹性膜片背面，经高温烧结定型。
进一步的技术方案是，陶瓷基底其远离合金弹性膜的表面设有采用导电浆料印刷烧结工艺进行连接的信号调理电路。在信号调理电路与陶瓷基底之间，采用传统的导电浆料印刷烧结工艺进行连接，使得传感器整体的精度更高，稳定性更好。
进一步的技术方案是，合金弹性膜由4J33铁-镍-钴合金材质制成；合金弹性膜焊接在陶瓷基底上。4J33铁-镍-钴合金相比于陶瓷，韧性高、可靠性好、灵敏度高，而起热膨胀系数与陶瓷接近，为6×10-6/℃，与陶瓷基底有好的相容性。
本发明还提供的技术方案为，制备金属基陶瓷压力传感器的工艺，其特征在于，包括如下依次进行的工艺步骤：
S1：将生瓷带干燥后使用冲孔机加工出盲孔、陶瓷基底上的四个通孔以及电容空腔；
S2：打孔完成后，将银浆利用填充机填充通孔，以实现不同层间电感和电容之间的金属互连；
S3：填充完成后，使用丝网印刷机将金属板和周围的螺旋金属线丝网印刷在生瓷带上以形成电容器和电感线圈；
S4：印刷后，将带有银浆的陶瓷带放入120℃的空气干燥箱中干燥5min；
S5：将生瓷带放入等静压层压机中进行层压成陶瓷基底；
S6：将层压后的陶瓷基底放入烧结炉中烧结；
S7：将4J33铁-镍-钴合金材质条冷轧、抛光后制成盘状膜；
S8：将盘状膜焊接在陶瓷基底上。通过冲孔机还制备出传感器的对准孔和用于在陶瓷流延层之间建立金属连接的通孔（这里的通孔不同于前述用于连接四个焊盘的通孔），对准孔用于精确地层压流延带。所谓的盘状膜即井盖状膜。相比于公开号为CN104359596A的专利直接在瓷环中部设置一整个大盲孔的形式，本方案对陶瓷基底表面的破坏更小，能保证陶瓷基底更好的强度及使用寿命。
进一步的技术方案为，在S6步骤中，烧结炉内采用氮气气氛保护；N2的纯度为氮气的体积含量＞99.999%。高纯氮气气氛可以保证试样成型过程中的密闭环境，避免支撑剂中碳被氧化成一氧化碳或二氧化碳气体，可以避免烧结后的陶瓷基底塌陷。
本发明还提供的技术方案为，金属基陶瓷压力传感器的制备工艺中涉及的制备工装，包括烧结炉以及设置在烧结炉内的减少气流湍流的结构。设置减少气流湍流的结构，改变炉膛内气流的情况和流速，使得烧结的陶瓷基底几乎不受气体流动所引发的温度场扰动干扰，能够提高烧结炉内不同位置的烧结陶瓷基底的质量，保证几乎所有位置的陶瓷基底烧结后不翘曲、不凹陷。
进一步的技术方案为，烧结炉壳体内侧壁上向内凸出设有凸块，凸块位于进气管上方，所述减少气流湍流的结构包括铰接在凸块上的弧形板；烧结炉上设置氮气进气管，氮气进气管位于烧结炉内的管口正对弧形板设置。弧形板采用钨板或氮化硼板或碳化硅板；在烧结炉壳体内侧壁上向炉膛中心凸出设置凸块，再在凸块上铰接弧形板，可以在未烧结时将弧形板转到上方，使得弧形板自然抵靠在烧结炉壳体内侧壁上（这样在未将陶瓷基底置于烧结炉时可以收起弧形板以便于置放陶瓷基底的操作），在将陶瓷基底置于烧结炉内之后再将弧形板转动使得弧形板正对氮气进气管管口起到减少气流湍流的作用，使得陶瓷基底受气体流动所引发的温度场扰动干扰小，可以保证烧结后的陶瓷基底不翘曲、不凹陷。
进一步的技术方案为，烧结炉的炉膛由若干块耐火纤维块拼装而成，每块耐火纤维块采用摩根纤维制作而成。
进一步的技术方案为，烧结炉上还设置与进气管相对设置的排气管；所述进气管及排气管均设置若干根，弧形板也设置若干块；
所述烧结炉其炉内设有围绕陶瓷基底置放处的用于减少气流湍流的弧形挡板。在烧结炉内设有围绕陶瓷基底置放处的弧形挡板可以进一步减少气流湍流对待烧结的陶瓷基底的影响，使得处于烧结炉不同位置的陶瓷基底基本都不受气流湍动的影响。
进一步的技术方案为，弧形板铰接在凸块上端面上，凸块的远离烧结炉内侧壁的侧端面上设置缓和气流湍流机构。还在凸块上设置缓和气流湍流机构，配合减少气流湍流的结构，可以逐渐减少气流湍流，使得气流湍流被减少气流湍流的结构和气流湍流机构共同消除，整个烧结炉内几乎密布高纯氮气，且没有气流湍流，能提高陶瓷基底烧结后的质量，不翘曲、不凹陷，平整度好。据对板壳的力学分析，在小挠度变形假设条件下，当有压强为p(MPa)的作用力施加到半径为r(mm)、厚度为t(mm)的圆形弹性膜片上时，距离其中心点x(mm)处的径向微应变与弹性膜片的应变相同，由于厚膜电阻和弹性膜片是印烧成一体的，则同一位置处，两者应变相同。当传感器制作成型后，输入电压Vcc为恒压时，输出量Vo与施加压强p成线性关系；经标定后的陶瓷压力传感器在不同温度、压强条件下，其测试引用误差范围在0.275%～0．975%之间，具有较高检测精度，达到了市面上压力传感器应用精度小于等于2%的要求。
本发明的优点和有益效果在于：采用氮气气氛保护，保证了试样成型过程中的密闭环境，避免气体逸散，避免陶瓷坯体塌陷；通过ATF工艺使用的陶瓷焙烧后对金属衬底的强附着力可以避免遇到高温时，击穿这些由本发明的具有陶瓷涂层的物体形成的器件。盲孔的设置可以避免厚膜电阻对合金弹性膜产生挤压力。
在烧结炉内设置减少气流湍流的机构，使得试样受气体流动所引发的温度场扰动干扰小，可以保证烧结后的陶瓷基底不翘曲、不凹陷。
合金弹性膜上均匀设置有与陶瓷基底上的四个通孔分别连接的四个焊盘，所述厚膜电阻与焊盘相连接以构成惠斯顿电桥。只需在陶瓷基底的上表面设置盲孔即可避免厚膜电阻对弹性合金膜的背面产生挤压力。并且盲孔设置的形状位置不是与厚膜电阻的位置形状相适配而是与变形后的厚膜电阻的位置形状相适配，这样设计更符合实际，更能起到保护厚膜电阻，避免厚膜电阻对弹性合金膜的背面产生挤压力的问题。
在信号调理电路与陶瓷基底之间，采用传统的导电浆料印刷烧结工艺进行连接，使得传感器整体的精度更高，稳定性更好。
4J33铁-镍-钴合金相比于陶瓷，韧性高、可靠性好、灵敏度高，而起热膨胀系数与陶瓷接近，为6×10-6/℃，与陶瓷基底有好的相容性。
本方案对陶瓷基底表面的破坏更小，能保证陶瓷基底更好的强度及使用寿命。
高纯氮气气氛可以保证试样成型过程中的密闭环境，避免支撑剂中碳被氧化成一氧化碳或二氧化碳气体，可以避免烧结后的陶瓷基底塌陷。
设置减少气流湍流的结构，改变炉膛内气流的情况和流速，使得烧结的陶瓷基底几乎不受气体流动所引发的温度场扰动干扰，能够提高烧结炉内不同位置的烧结陶瓷基底的质量，保证几乎所有位置的陶瓷基底烧结后不翘曲、不凹陷。
在烧结炉壳体内侧壁上向炉膛中心凸出设置凸块，再在凸块上铰接弧形板，可以在未烧结时将弧形板转到上方，使得弧形板自然抵靠在烧结炉壳体内侧壁上（这样在未将陶瓷基底置于烧结炉时可以收起弧形板以便于置放陶瓷基底的操作），在将陶瓷基底置于烧结炉内之后再将弧形板转动使得弧形板正对氮气进气管管口起到减少气流湍流的作用，使得陶瓷基底受气体流动所引发的温度场扰动干扰小，可以保证烧结后的陶瓷基底不翘曲、不凹陷。
在烧结炉内设有围绕陶瓷基底置放处的弧形挡板可以进一步减少气流湍流对待烧结的陶瓷基底的影响，使得处于烧结炉不同位置的陶瓷基底基本都不受气流湍动的影响。
还在凸块上设置缓和气流湍流机构，配合减少气流湍流的结构，可以逐渐减少气流湍流，使得气流湍流被减少气流湍流的结构和气流湍流机构共同消除，整个烧结炉内几乎密布高纯氮气，且没有气流湍流，能提高陶瓷基底烧结后的质量，不翘曲、不凹陷，平整度好。
附图说明
图1是本发明一种金属基陶瓷压力传感器的示意图；
图2是图1中传感器的另一视角的示意图；
图3是图2中传感器的剖视图；
图4是本发明中涉及的烧结炉的外形图；
图5是图4的内部结构示意图；
图6是图5中未烧结陶瓷基底时弧形板的位置示意图；
图7是图5示出缓和气流湍流机构后的右上角部分的弧形板附近部件的局部放大示意图；
图8是图7去除凸块后的立体示意图。
图中：1、陶瓷基底；2、合金弹性膜；3、厚膜电阻；4、盲孔；5、信号调理电路；6、凸块；7、进气管；8、弧形板；9、排气管；10、弧形挡板；11、第一平板；12、第二平板；13、槽状滑套。
实施方式
下面结合附图和实施例，对本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。
实施例
如图1至图8所示，本发明是一种金属基陶瓷压力传感器，包括陶瓷基底1以及固定连接在陶瓷基底1上端面的合金弹性膜2，合金弹性膜2其面向陶瓷基底1的表面设置四个厚膜电阻3，陶瓷基底1其面向厚膜电阻3的一面设有用于避免厚膜电阻3对弹性合金膜的背面产生挤压力的盲孔4；正对位于合金弹性膜2中央的两个厚膜电阻3的盲孔4呈与前述厚膜电阻3拉伸后形状适配的方孔形；正对被轴向挤压产生压缩应变的两个厚膜电阻3的盲孔4呈与前述厚膜电阻3压缩后形状适配的方孔形。陶瓷基底1其远离合金弹性膜2的表面设有采用导电浆料印刷烧结工艺进行连接的信号调理电路5。合金弹性膜2由4J33铁-镍-钴合金材质制成；合金弹性膜2焊接在陶瓷基底1上。
制备金属基陶瓷压力传感器的工艺，其特征在于，包括如下依次进行的工艺步骤：
S1：将生瓷带干燥后使用冲孔机加工出盲孔4、陶瓷基底1上的四个通孔以及电容空腔；
S2：打孔完成后，将银浆利用填充机填充通孔，以实现不同层间电感和电容之间的金属互连；
S3：填充完成后，使用丝网印刷机将金属板和周围的螺旋金属线丝网印刷在生瓷带上以形成电容器和电感线圈；
S4：印刷后，将带有银浆的陶瓷带放入120℃的空气干燥箱中干燥5min；
S5：将生瓷带放入等静压层压机中进行层压成陶瓷基底1；
S6：将层压后的陶瓷基底1放入烧结炉中烧结；
S7：将4J33铁-镍-钴合金材质条冷轧、抛光后制成盘状膜；
S8：将盘状膜焊接在陶瓷基底1上。
在S6步骤中，烧结炉内采用氮气气氛保护；N2的纯度为氮气的体积含量＞99.999%。
金属基陶瓷压力传感器的制备工艺中涉及的制备工装，包括烧结炉以及设置在烧结炉内的减少气流湍流的结构。烧结炉壳体内侧壁上向内凸出设有凸块6，凸块6位于进气管7上方，所述减少气流湍流的结构包括铰接在凸块6上的弧形板8；烧结炉上设置氮气进气管7，氮气进气管7位于烧结炉内的管口正对弧形板8设置。烧结炉的炉膛由若干块耐火纤维块拼装而成，每块耐火纤维块采用摩根纤维制作而成。 烧结炉上还设置与进气管7相对设置的排气管9；所述进气管7及排气管9均设置若干根，弧形板8也设置若干块；烧结炉其炉内设有围绕陶瓷基底1置放处的用于减少气流湍流的弧形挡板10。弧形板8铰接在凸块6上端面上，凸块6的远离烧结炉内侧壁的侧端面上设置缓和气流湍流机构。缓和气流湍流机构包括一块铰接在凸块6侧端面的第一平板11，第一平板11其远离凸块6的一端铰接第二平板12，第二平板12其靠近弧形板8的一边的两端固定设置槽状滑套13，槽状滑套13与弧形板8滑动连接。
工作原理是：
当合金弹性膜受压后，由于陶瓷基底上设置盲孔，可以避免厚膜电阻对合金弹性膜产生挤压力而遭到破坏（更为优选的方案是盲孔尺寸比变形后的后膜电阻尺寸要大，因为要覆盖未变形前的厚膜电阻的位置和变形后的厚膜电阻的位置）。未烧结时，将烧结炉内的弧形板转动向上使得弧形板抵靠在烧结炉壳体内侧壁上，这样便于放置待烧结的陶瓷基底，将陶瓷基底放置好后，向下转动弧形板，并对烧结炉内通高纯氮气，保证烧结的环境，避免支撑剂中的碳被氧化而产生气体，而影响烧结后的陶瓷基底的质量。
本发明制备的金属基陶瓷压力传感器，其满量程综合检测精度(线性、迟滞、重复性等)达到0.95%（小于等于2%），完全符合压力传感器通用技术条件规定的综合误差要求。
实施例
与实施例一的不同在于，减少气流湍流的结构包括铰接在烧结炉壳体内侧壁上的弧形板，铰接轴上固定设置扭簧，扭簧的另一端固定连接在烧结炉壳体内侧壁上；烧结炉上设置氮气进气管，氮气进气管位于烧结炉内的管口正对弧形板设置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.金属基陶瓷压力传感器的制备工艺，其特征在于，包括如下依次进行的工艺步骤：
S1：将生瓷带干燥后使用冲孔机加工出盲孔、陶瓷基底上的四个通孔以及电容空腔；
S2：打孔完成后，将银浆利用填充机填充通孔，以实现不同层间电感和电容之间的金属互连；
S3：填充完成后，使用丝网印刷机将金属板和周围的螺旋金属线丝网印刷在生瓷带上以形成电容器和电感线圈；
S4：印刷后，将带有银浆的陶瓷带放入120℃的空气干燥箱中干燥5min；
S5：将生瓷带放入等静压层压机中进行层压成陶瓷基底；
S6：将层压后的陶瓷基底放入烧结炉中烧结；
S7：将4J33铁-镍-钴合金材质条冷轧、抛光后制成盘状膜；
S8：将盘状膜焊接在陶瓷基底上；
在所述S6步骤中，烧结炉内采用氮气气氛保护；氮气的纯度为氮气的体积含量＞99.999％；
盘状膜即井盖状膜；
盲孔设置的位置不是与厚膜电阻的位置相适配而是与变形后的厚膜电阻的位置相适配，盲孔尺寸比变形后的后厚膜电阻尺寸要大；
将金属膜片以分子结合方式结合到陶瓷材料上以便形成其陶瓷表面；通过丝网印刷技术将厚膜电阻钌酸盐浆料和导电带掩模转印到弹性膜片背面，经高温烧结定型；
所述金属基陶瓷压力传感器的制备工艺中涉及的制备工装，包括烧结炉以及设置在烧结炉内的减少气流湍流的结构；烧结炉壳体内侧壁上向内凸出设有凸块，凸块位于进气管上方；
减少气流湍流的结构包括铰接在凸块上的弧形板；或减少气流湍流的结构包括铰接在烧结炉壳体内侧壁上的弧形板，铰接轴上固定设置扭簧，扭簧的另一端固定连接在烧结炉壳体内侧壁上；烧结炉上设置氮气进气管，氮气进气管位于烧结炉内的管口正对弧形板设置。
2.根据权利要求1所述的金属基陶瓷压力传感器的制备工艺，其特征在于，所述烧结炉的炉膛由若干块耐火纤维块拼装而成，每块耐火纤维块采用摩根纤维制作而成。
3.根据权利要求2所述的金属基陶瓷压力传感器的制备工艺，其特征在于，所述烧结炉上还设置与进气管相对设置的排气管；所述进气管及排气管均设置若干根，弧形板也设置若干块；
所述烧结炉其炉内设有围绕陶瓷基底置放处的用于减少气流湍流的弧形挡板。
4.根据权利要求3所述的金属基陶瓷压力传感器的制备工艺，其特征在于，所述弧形板铰接在凸块上端面上，凸块的远离烧结炉内侧壁的侧端面上设置缓和气流湍流机构。
5.由如权利要求4所述金属基陶瓷压力传感器的制备工艺制备出的金属基陶瓷压力传感器，其特征在于，包括陶瓷基底以及固定连接在陶瓷基底上端面的合金弹性膜，合金弹性膜其面向陶瓷基底的表面设置四个厚膜电阻，陶瓷基底其面向厚膜电阻的一面设有用于避免厚膜电阻对弹性合金膜的背面产生挤压力的盲孔；
正对位于合金弹性膜中央的两个厚膜电阻的盲孔呈与前述厚膜电阻拉伸后形状适配的方孔形；正对被轴向挤压产生压缩应变的两个厚膜电阻的盲孔呈与前述厚膜电阻压缩后形状适配的方孔形。
6.根据权利要求5所述的金属基陶瓷压力传感器，其特征在于，所述陶瓷基底其远离合金弹性膜的表面设有采用导电浆料印刷烧结工艺进行连接的信号调理电路。
7.根据权利要求6所述的金属基陶瓷压力传感器，其特征在于，所述合金弹性膜由4J33铁-镍-钴合金材质制成；合金弹性膜焊接在陶瓷基底上。
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