CN116182911A - 一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片及制备方法，应用在敏感元件与传感器领域，其技术方案要点是：压敏电阻R1~R4以及调零电阻R5~R6之间形成惠斯通电桥，当未加载压力时，惠斯通电桥平衡，惠斯通电桥设有电源输入端子V+、GND端子、正电压信号输出端子S+以及负电压信号输出端子S‑，使用时在电源输入端子V+与GND端子之间加载电压，同时在GND端子上设有温度电阻输出端子T，在温度电阻输出端子T与惠斯通电桥之间旁接有温敏电阻R7；具有的技术效果是：解决了常规压阻式陶瓷压力传感器存在的不能采集温度、标定时间久、存在热迟滞效应的问题，简化陶瓷温度压力传感器的结构，避免需要额外防泄漏设计、防NTC电阻引脚断路的问题。

Description

一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片及制备方法
技术领域
本发明涉及敏感元件与传感器领域，特别涉及一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片及制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷因具有线弹性性能好、介质兼容性好等优点而被广泛应用于传感器领域，尤其是压力传感器。
例如申请号为CN104359596A的发明专利，公开了一种齐平膜压阻式陶瓷压力传感器，在陶瓷应变片上通过厚膜工艺印刷四个压敏电阻作为压敏元件，形成惠斯通全桥结构，但由于压阻材料本身的电阻会随温度而改变，且构成惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值随温度改变的比例各不相同，该方案在温度改变时，会造成惠斯通电桥的失衡，导致输出电压改变。
因此，该方案的压力敏感元件在使用时，需要对其进行标定，即温度补偿，常用的补偿方式是采用调理芯片/电路，例如专利CN109668674A，一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路及方法，以及专利CN201293698Y，一种带温度补偿电路的压力变送器，均使用调理芯片（ASIC）内置的温度传感器采集温度，采集不同温度下、不同压力下压力敏感元件的原始输出，并通过算法补偿。但由于ASIC芯片与压力敏感元件之间存在空间上的距离，这会导致一方面，标定时需要较长的时间保温，使得 ASIC芯片与压力敏感元件两者的温度趋于相同，保证标定的准确性；另一方面，在标定完成的陶瓷压力传感器实际使用过程时，若外界温度急剧变化，将会导致压力敏感元件与ASIC调理芯片之间存在较大的温度差，从而造成ASIC调理芯片误判敏感元件的实际温度，产生热迟滞效应，带来较大的压力传感器输出误差，降低产品的精度。
此外，公开号为CN113776583A的发明专利，一种温度压力传感器的成型工艺，采用了在常规压阻式陶瓷压力传感器的基础上额外增加NTC电阻用于测定温度的方案，该方案虽然温度测试精度高，但结构复杂，传感器的成本也将提升，还需要考虑新引入的NTC电阻造成的压力源泄漏、NTC电阻引脚在注塑时断路等问题，而且，该方案仍然采用ASIC芯片内置的温度传感器对压力传感器进行标定，无法解决常规压阻式陶瓷压力传感器存在的标定时间久、存在热迟滞效应等问题。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，其优点是解决了常规压阻式陶瓷压力传感器存在的不能采集温度、标定时间久、存在热迟滞效应的问题，简化陶瓷温度压力传感器的结构，避免需要额外防泄漏设计、防NTC电阻引脚断路的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，包括陶瓷应变片以及设置在所述陶瓷应变片内部的应变电路，所述陶瓷应变片上划分为感压区域及非感压区域，所述陶瓷应变片之间设有玻璃介质；所述应变电路包括设置于感压区域的压敏电阻R1、压敏电阻R2、压敏电阻R3以及压敏电阻R4，设置于非感压区域的调零电阻R5以及调零电阻R6，压敏电阻R1~压敏电阻R4以及调零电阻R5~调零电阻R6之间形成惠斯通电桥，当未加载压力时，惠斯通电桥平衡，惠斯通电桥设有电源输入端子V+、GND端子、正电压信号输出端子S+以及负电压信号输出端子S-，使用时在电源输入端子V+与GND端子之间加载电压，同时在GND端子上设有温度电阻输出端子T，在温度电阻输出端子T与惠斯通电桥之间旁接有温敏电阻R7。
本发明进一步设置为：所述压敏电阻R1以及所述压敏电阻R4设置于感压区域的外侧且相对位置相同，所述压敏电阻R2以及所述压敏电阻R3设置于感压区域的内侧且相对位置同样相同，当面临压力载荷时，所述压敏电阻R1与所述压敏电阻R4、所述压敏电阻R2以及所述压敏电阻R3的电阻变化方向相同，同时位于应变区域外侧以及内侧的电阻变化方向相反。
本发明进一步设置为：所述压敏电阻R1~压敏电阻R4以及调零电阻R5~调零电阻R6基于厚膜工艺印制于所述陶瓷应变片上。
本发明进一步设置为：所述压敏电阻R1~压敏电阻R4、调零电阻R5~调零电阻R6以及温敏电阻R7位于温度同步的同一平面上，当温敏电阻R7阻值改变时，通过温度电阻输出端子T传递电阻信号，并基于标定法确定R1~R7的实时温度，并以此对温敏电阻R7进行标定。
本发明进一步设置为：所述温敏电阻R7具有正电阻温度系数或负电阻温度系数，基于厚膜工艺制备，与压敏电阻R1~压敏电阻R4的加工工艺兼容。
本发明进一步设置为：所述温敏电阻R7与所述压敏电阻R1~压敏电阻R4集成设置。
本发明的第二目的是提供一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片的制备方法，其优点是解决了常规压阻式陶瓷压力传感器存在的不能采集温度、标定时间久、存在热迟滞效应的问题，简化陶瓷温度压力传感器的结构，避免需要额外防泄漏设计、防NTC电阻引脚断路的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片的制备方法，用于制备如上述技术方案所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，包括：
S1、陶瓷应变片清洁；
S2、导体浆料印刷、流平、烘干，导体包括电源输入端子V+、GND端子、正电压信号输出端子S+、负电压信号输出端子S-、温度电阻输出端子T以及电阻之间的导通线；
S3、导体烧结，烧结温度在850-900℃之间；
S4、压敏电阻R1~R4以及调零电阻R5~R6浆料印刷、流平、烘干；
S5、压敏电阻R1~R4以及调零电阻R5~R6烧结，烧结温度在800-850℃之间；
S6、温敏电阻R7浆料印刷、流平、烘干；
S7、温敏电阻R7烧结，烧结温度在700-850℃之间；
S8、玻璃介质浆料印刷、流平、烘干；
S9、玻璃介质烧结，烧结温度在500-600℃之间；
S10、在200℃高温下储存48h-72h；
S11、激光调阻；
S12、分片；
S13、零位测试，确认零位输出在±0.5mV之间。
本发明进一步设置为：所述激光调阻利用激光对R5、R6进行切割，切割后电阻会增大，激光调阻通常分为粗调和精调两步，均利用算法来计算电桥平衡时R5、R6的阻值，通过控制激光划过的距离，实现R5、R6电阻的改变，达到电桥平衡。
本发明进一步设置为：四个压敏电阻R1~R4以及两个调零电阻R5~R6均使用钌系氧化物制成，但两者形状不同导致电阻值不同，压敏电阻R1~R4的典型阻值在10±5KΩ之间，调零电阻R5~R6的典型阻值在0.5-2 KΩ之间，所述温敏电阻R7使用具有正电阻温度系数或负电阻温度系数的金属氧化物制成。
本发明进一步设置为：所述玻璃介质烧结后为透明玻璃，用于隔离水汽等环境因素对电阻的影响。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.设置温敏电阻与压敏元件位于同一陶瓷平面，从而保证了温度的一致性，实现有效的实时检测压敏电阻区域的温度，减少热迟滞效应的问题出现的可能；
2.温敏电阻采用厚膜工艺制备，与压敏电阻的加工工艺兼容，易于大批量生产，降低了生产的成本；
3.通过温敏电阻与压敏元件集成，减少了产品的体积，实现方便与未集成温敏电阻的常规压阻式陶瓷压力传感器应变片进行相互切换，简化了陶瓷温度压力传感器的结构；
4.通过印刷方式将应变电路印刷到陶瓷应变片上，在简化陶瓷温度压力传感器的结构的同时，避免需要额外防泄漏设计、防NTC电阻引脚断路设计。
附图说明
图1是本实施例的应变电路的电路逻辑示意图；
图2是本实施例的应变电路在陶瓷应变片上的结构示意图。
附图标记：1、陶瓷应变片；2、应变电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
参考图1和图2，一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，包括陶瓷应变片1以及设置在陶瓷应变片1内部的应变电路2，在陶瓷应变片1上划分为感压区域及非感压区域，陶瓷应变片1之间设有玻璃介质，应变电路2包括设置在感压区域的压敏电阻R1、压敏电阻R2、压敏电阻R3以及压敏电阻R4，设置在非感压区域的调零电阻R5以及调零电阻R6，调零电阻R5以及调零电阻R6的电阻值并不会随着外界压力载荷的改变而改变，压敏电阻R1~压敏电阻R4以及调零电阻R5~调零电阻R6之间形成惠斯通电桥，惠斯通电桥设有电源输入端子V+、GND端子、正电压信号输出端子S+以及负电压信号输出端子S-，使用时在电源输入端子V+与GND端子之间加载5V的电压，当未加载压力时，惠斯通电桥处于平衡状态，输出电压趋于0，即正电压信号输出端子S+与负电压信号输出端子S-端子之间的电压差趋于0，同时在GND端子上设有温度电阻输出端子T，在温度电阻输出端子T与惠斯通电桥之间旁接有温敏电阻R7。
参考图2，具体的，压敏电阻R1以及压敏电阻R4设置在感压区域的外侧且相对位置相同，压敏电阻R2以及压敏电阻R3设置在感压区域的内侧且相对位置同样相同，当面临压力载荷时，压敏电阻R1与压敏电阻R4、压敏电阻R2以及压敏电阻R3的电阻变化方向相同，同时位于应变区域外侧以及内侧的电阻变化方向相反，如进行施加压力时，压敏电阻R1和压敏电阻R4同时减小，压敏电阻R2和压敏电阻R3同时增大，此时正电压信号输出端子S+的分压提升，负电压信号输出端子S-的分压降低，电桥平衡被打破，输出电压升高，因陶瓷具有良好的线弹性性能，输出电压的变化与外界压力载荷的变化几乎呈现线性变化，非线性度很小，从而保证输出电压的线性变化，若外界温度改变导致温敏电阻R7的阻值改变，因厚膜工艺限制R1~R4四个压敏电阻的初始电阻阻值，电阻温度系数会有约±30%的差异，因此不同温度下输出电压-外界压力载荷之间的相互关系均不相同，从而需要对其温度进行补偿。
参考图2，具体的，压敏电阻R1~压敏电阻R4、调零电阻R5~调零电阻R6以及温敏电阻R7位于同一平面上，可以认定在该平面上温度同步，当温敏电阻R7阻值改变时，通过温度电阻输出端子T传递电阻信号，并基于标定法确定R1~R7的实时温度，并以此对温敏电阻R7进行标定，压敏电阻R1~压敏电阻R4以及调零电阻R5~调零电阻R6基于厚膜工艺印制于陶瓷应变片1上，避免需要额外防泄漏设计、防NTC电阻引脚断路设计，简化了陶瓷温度压力传感器的结构。
参考图2，具体的，温敏电阻R7具有正电阻温度系数或负电阻温度系数，基于厚膜工艺制备，与压敏电阻R1~压敏电阻R4的加工工艺兼容，同时温敏电阻R7与压敏电阻R1~压敏电阻R4集成设置，减少了产品的体积，实现方便与未集成温敏电阻的常规压阻式陶瓷压力传感器应变片进行相互切换，简化了陶瓷温度压力传感器的结构。
实施例2：
一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片的制备方法，用于制备如实施例1所示的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，包括：
S1、陶瓷应变片1清洁，陶瓷应变片1为一整片，整片上设有8x8、6x6或者4x4小片，厚度在0.2-0.5mm之间，小片为正方形构造，尺寸在1x1-2x2cm之间；
S2、导体浆料印刷、流平、烘干，导体包括电源输入端子V+、GND端子、正电压信号输出端子S+、负电压信号输出端子S-、温度电阻输出端子T以及电阻之间的导通线，导体浆料使用的材质为钯银或者金等材质；
S3、导体烧结，典型烧结温度在850-900℃之间；
S4、压敏电阻R1~R4以及调零电阻R5~R6浆料印刷、流平、烘干；
S5、压敏电阻R1~R4以及调零电阻R5~R6烧结，烧结温度在800-850℃之间；
S6、温敏电阻R7浆料印刷、流平、烘干；
S7、温敏电阻R7烧结，烧结温度在700-850℃之间；
S8、玻璃介质浆料印刷、流平、烘干；
S9、玻璃介质烧结，烧结温度在500-600℃之间；
S10、在200℃高温下储存48h-72h；
S11、激光调阻；
S12、分片，将S1中的8x8、6x6或者4x4的整片，需要划片为1x1的散片；
S13、零位测试，确认零位输出在±0.5mV之间。
具体的，激光调阻利用激光对R5、R6进行切割，切割后电阻会增大，例如R5初始电阻1kΩ，若被切割20%的宽度，则电阻变化为1 kΩ/（1-20%）=1.25kΩ，激光调阻通常分为粗调和精调两步，粗调将零位输出调节至±5mV，精调继续将零位调节至±0.5mV，粗调和精调本质上均是利用算法来计算电桥平衡时R5、R6的阻值，通过控制激光划过的距离，实现R5、R6电阻的改变，达到电桥平衡。
具体的，四个压敏电阻R1~R4以及两个调零电阻R5~R6均使用钌系氧化物制成，但两者形状不同导致电阻值不同，压敏电阻R1~R4的典型阻值在10±5KΩ之间，调零电阻R5~R6的典型阻值在0.5-2 KΩ之间，温敏电阻R7使用具有正电阻温度系数或负电阻温度系数的金属氧化物制成。
具体的，玻璃介质烧结后为透明玻璃，用于隔离水汽等环境因素对电阻的影响，提升压力传感器的精度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出具有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，包括陶瓷应变片(1)以及设置在所述陶瓷应变片(1)内部的应变电路(2)，所述陶瓷应变片(1)上划分为感压区域及非感压区域，所述陶瓷应变片(1)之间设有玻璃介质；其特征在于，所述应变电路(2)包括设置于感压区域的压敏电阻R1、压敏电阻R2、压敏电阻R3以及压敏电阻R4，设置于非感压区域的调零电阻R5以及调零电阻R6，压敏电阻R1~压敏电阻R4以及调零电阻R5~调零电阻R6之间形成惠斯通电桥，当未加载压力时，惠斯通电桥平衡，惠斯通电桥设有电源输入端子V+、GND端子、正电压信号输出端子S+以及负电压信号输出端子S-，使用时在电源输入端子V+与GND端子之间加载电压，同时在GND端子上设有温度电阻输出端子T，在温度电阻输出端子T与惠斯通电桥之间旁接有温敏电阻R7。
2.根据权利要求1所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，其特征在于，所述压敏电阻R1以及所述压敏电阻R4设置于感压区域的外侧且相对位置相同，所述压敏电阻R2以及所述压敏电阻R3设置于感压区域的内侧且相对位置同样相同，当面临压力载荷时，所述压敏电阻R1与所述压敏电阻R4、所述压敏电阻R2以及所述压敏电阻R3的电阻变化方向相同，同时位于应变区域外侧以及内侧的电阻变化方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，其特征在于，所述压敏电阻R1~压敏电阻R4以及调零电阻R5~调零电阻R6基于厚膜工艺印制于所述陶瓷应变片(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，其特征在于，所述压敏电阻R1~压敏电阻R4、调零电阻R5~调零电阻R6以及温敏电阻R7位于温度同步的同一平面上，当温敏电阻R7阻值改变时，通过温度电阻输出端子T传递电阻信号，并基于标定法确定R1~R7的实时温度，并以此对温敏电阻R7进行标定。
5.根据权利要求4所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，其特征在于，所述温敏电阻R7具有正电阻温度系数或负电阻温度系数，基于厚膜工艺制备，与压敏电阻R1~压敏电阻R4的加工工艺兼容。
6.根据权利要求5所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，其特征在于，所述温敏电阻R7与所述压敏电阻R1~压敏电阻R4集成设置。
7.一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片的制备方法，用于制备如上述权利要求1-6任一所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片，其特征在于，包括：
S1、陶瓷应变片(1)清洁；
S2、导体浆料印刷、流平、烘干，导体包括电源输入端子V+、GND端子、正电压信号输出端子S+、负电压信号输出端子S-、温度电阻输出端子T以及电阻之间的导通线；
S3、导体烧结，烧结温度在850-900℃之间；
S4、压敏电阻R1~R4以及调零电阻R5~R6浆料印刷、流平、烘干；
S5、压敏电阻R1~R4以及调零电阻R5~R6烧结，烧结温度在800-850℃之间；
S6、温敏电阻R7浆料印刷、流平、烘干；
S7、温敏电阻R7烧结，烧结温度在700-850℃之间；
S8、玻璃介质浆料印刷、流平、烘干；
S9、玻璃介质烧结，烧结温度在500-600℃之间；
S10、在200℃高温下储存48h-72h；
S11、激光调阻；
S12、分片；
S13、零位测试，确认零位输出在±0.5mV之间。
8.根据权利要求7所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片的制备方法，其特征在于，所述激光调阻利用激光对R5、R6进行切割，切割后电阻会增大，激光调阻通常分为粗调和精调两步，均利用算法来计算电桥平衡时R5、R6的阻值，通过控制激光划过的距离，实现R5、R6电阻的改变，达到电桥平衡。
9.根据权利要求7所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片的制备方法，其特征在于，四个压敏电阻R1~R4以及两个调零电阻R5~R6均使用钌系氧化物制成，但两者形状不同导致电阻值不同，压敏电阻R1~R4的典型阻值在10±5KΩ之间，调零电阻R5~R6的典型阻值在0.5-2 KΩ之间，所述温敏电阻R7使用具有正电阻温度系数或负电阻温度系数的金属氧化物制成。
10.根据权利要求7所述的一种压阻式陶瓷温度压力传感器应变片的制备方法，其特征在于，所述玻璃介质烧结后为透明玻璃，用于隔离水汽等环境因素对电阻的影响。
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