CN116472443A - 平面陶瓷压力传感器及相关制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压阻式或电容式平面压力传感器(130)，该压阻式或电容式平面压力传感器包括由陶瓷材料制成的柔性平面膜(100)和由陶瓷材料制成的相对刚性平面支撑件(110)，其中支撑件(110)具有第一主面(220)和第二主面(230)，并且膜(100)具有第一主面(200)和第二主面(210)，并且其中膜(100)的第一主面(200)面向支撑件(110)的第二主面(230)，膜(100)的第一主面(200)包括至少一个第一电路(501)，支撑件(110)的第一主面(220)包括至少一个第二电路(502)，在压力传感器(130)的刚性支撑件(110)的周边上，在膜(100)的第一主面(200)的第一电路(501)与支撑件(110)的第一主面(220)的第二电路(502)之间进一步设置电连接部。
Description
技术领域
本发明涉及一种压阻式或电容式平面陶瓷压力传感器及相关制造方法。
背景技术
在诸如工业、医疗和汽车领域的各种应用领域中，使用整合到换能器中的陶瓷压力传感器来测量流体的压力是已知的。
陶瓷传感器既具有机械坚固性，又能够在侵蚀性环境下操作，并且具有可靠性和稳定的性能。
陶瓷膜是化学惰性的，不需要任何类型的分隔物，并且可以与许多流体(甚至一些侵蚀性最强的流体)直接接触。
长期稳定性以及在压力和温度两方面的宽操作范围是促进陶瓷压力传感器具有多功能性和可靠性的其他重要因素。
这些方面以及在所有类型的工业机械中和过程控制设备的整合简便性使得压阻式和电容式陶瓷传感器均相对于其他技术解决方案更令人关注且更具优势，这都是因为它们的性价比出色并且应用范围广泛。
具有陶瓷膜的压阻传感器通常由氧化铝制成，并且可以有两种类型：平面传感器，其中膜固定到也由陶瓷制成的机械支撑件上；或者单片传感器，其由单个陶瓷元件组成，其中较薄中心部件充当膜，并且较厚中心部件充当机械支撑件。
膜由于压力而弯曲，并且此类弯曲可以通过电阻电桥来检测。由压阻材料制成的电阻器的定位方式使得，在膜弯曲时，两个电阻器(属于电桥的相对两侧)伸长，从而导致电阻增加，同时其他两个电阻器被压缩，从而导致电阻降低。电桥不平衡，并且输出电压与引起变形的压力差成比例。
平面压阻传感器通常通过以下方式制成：将膜上的该电阻电桥通过丝网印刷而印刷在与流体接触的一侧相对的一侧上，并将该膜连接到机械支撑件。为了保证膜的变形空间充足并且为了限定其移动空间，胶合层设置有中心凹陷部和孔，所述中心凹陷部通常为圆形，置于膜的可变形区域处，压阻元件置于所述可变形区域处，所述孔置于所述腔的外部，将导电材料沉积在所述孔的壁上，并且在机械连接期间，所述孔电连接到膜上的迹线。
在电容式而不是压电式传感器中，通过由于其电枢(一个电枢印在膜上，另一个电枢印在机械支撑件上)的相对位移而引起的电容器容量变化来检测压力信号。在一些情况下，支撑件的腔处有一个孔：如果该孔打开，则系统将用作相对或差动传感器(只要腔密封)，而如果该孔闭合并且腔密封，则系统将用作绝对传感器。
在现有技术中，特别是在WO2013139832A1中，公开了压阻式和电容式平面陶瓷压力传感器，该压阻式和电容式平面陶瓷压力传感器包括具有电路的由陶瓷材料制成的柔性平面膜、具有外部电接触部的由陶瓷材料制成的刚性平面支撑件，将导电材料沉积在支撑件上，在膜和支撑件之间制作通过沉积和烧结低熔点导电电连接导电材料层而制成的电联接部，在膜和支撑件之间制作通过沉积和烧结与电连接玻璃层电绝缘和/或绝缘的机械连接玻璃层而制成的机械联接部，其中电连接玻璃层和机械连接玻璃层在烧结炉中的单个通道中同时在一起烧结。
通常，该膜和支撑件由普通陶瓷片获得，特别是由氧化铝制成，如果是可商购获得的并且通常用于例如厚膜混合电路的自动制造；多个压力传感器通过将片状半成品源分成多件而获得，该片状半成品源自膜与支撑件之间的联接部。
在现有技术中，支撑片设置有电接触孔，该电接触孔被适当地布置用于将电信号从膜传递到容纳在支撑片的外部上面上的分立电气和电子元件(诸如电阻、电容器、晶体管、集成电子电路和连接器)以用于过程，从而处理和传输通过膜的变形检测到的信号。
这些孔和电连接部的存在以及相对定位限制和几何体积也显著地限制了使传感器小型化的可能性，这是市场特别感受到的并且特别集中于单个传感器的制造过程的需要。
具体地，支撑件上的可用空间具有限制，这些限制不仅是由于机械孔的总尺寸，还是由于围绕机械孔的导电材料的冠部的总尺寸。
此外，由于围绕机械孔的导电材料的冠部与施加到支撑件的分立部件之间所需的最小距离，支撑件上的可用空间具有限制。该最小距离必须确保支撑件上的部件的焊接材料不与围绕机械孔的导电材料的冠部接触。
机械孔的存在倾向于使支撑件机械脆化，因此除了对孔之间的相对布置的限制之外，还将限制置于对孔与支撑件的边缘之间以及孔与孔之间的最小距离。
最后，为每个支承件制作孔(通常为四个孔)使制造过程复杂化，因为该操作添加到每个支承件所源自的片材切割操作。
因此，需要简化已知的压阻式和电容式平面陶瓷压力传感器的结构。
因此，本发明的技术任务是制作一种平面陶瓷压力传感器，该平面陶瓷压力传感器能够消除现有技术的引用的技术缺陷。
发明内容
在该技术任务的上下文中，本发明的一个目的是制作一种允许小型化的平面陶瓷压力传感器。
本发明的另一个目的是制作一种平面陶瓷压力传感器，该平面陶瓷压力传感器能够在支撑件上获得空间以集成分立电气和电子元件。
本发明的另一个目的是制作一种平面陶瓷压力传感器，该平面陶瓷压力传感器降低了支撑件的由于通孔的存在而导致的脆化。
本发明的另一个目的是制作一种易于制作的平面陶瓷压力传感器。
本发明的并非最不重要的目的是显露一种用于制作平面陶瓷压力传感器的方法。
根据本发明的技术任务以及这些和其他目的通过制作压阻式或电容式平面压力传感器来实现，所述压阻式或电容式平面压力传感器包括由陶瓷材料制成的柔性平面膜和由陶瓷材料制成的相对刚性平面支撑件，其中所述支撑件具有第一主面和第二主面，并且所述膜具有第一主面和第二主面，并且其中所述膜的所述第一主面面向所述支撑件的所述第二主面，所述膜的所述第一主面包括至少一个第一电路，所述支撑件的所述第一主面包括至少一个第二电路，其特征在于，所述膜的所述第一主面的所述第一电路与所述支撑件的所述第一主面的所述第二电路之间的电连接部被设置在所述支撑件的周边边缘上。
优选地，所述电连接部被设置在所述支撑件的周边边缘的凹陷部中。
优选地，所述凹陷部在所述支撑件的整个厚度上延伸。
优选地，所述电连接部由覆盖所述凹陷部的导电层形成。
由于在支撑件的周边上设置电连接部，可以消除支撑件内部的孔。
由于在支撑件内部没有孔，因此支撑件上的可用空间增加，并且在支撑件上不产生更脆的准线。
可以在一半孔处制作支撑件的周边上的电连接部，该一半孔通过故意沿着切割线在片材上形成的孔的断裂而产生。
以这种方式，简化了制造过程，不仅因为在片材上形成的孔的数量减半，而且因为片材上的孔和预切线可以使用相同的激光切割方法制成。
事实上很明显，两个传感器的电连接部可以通过四个孔制成。
任选地，还可以用保护性涂层(例如保护性树脂、厚膜电介质、通过抽吸进行丝网印刷施加的玻璃)覆盖支撑件的周边上的电连接部。
本发明还公开了一种用于制造平面压力传感器的方法，所述平面压力传感器包括由陶瓷材料制成的柔性平面膜和由陶瓷材料制成的相对刚性平面支撑件，其中所述支撑件具有第一主面和第二主面，并且所述膜具有第一主面和第二主面，并且其中所述膜的所述第一主面面向所述支撑件的所述第二主面，所述方法包括以下步骤：
-在膜的第一主面上制作至少一个第一电路，
-在所述支撑件的所述第一主面上制作至少一个第二电路，
-将导电材料沉积在膜的第一主面上和/或将导电材料沉积在支撑件的第二主面上，
-在膜和支撑件之间制作机械联接部，其特征在于，
所述第一电路与所述第二电路之间的电连接部通过将导电材料施加到凹壁来设置，所述凹壁在所述支撑件的周边边缘处在所述支撑件的整个壁厚上延伸。
本发明的其他特征以及制造方法在以下权利要求书中进一步限定。
附图说明
本发明的其他特性和优势将从根据本发明的平面陶瓷压力传感器的优选但不排他的实施方案以及对应制造方法的描述中更充分地显现，这些实施方案以及对应制造方法通过附图中的非限制性示例示出，其中：
-图1a示出了膜由其制成的原始薄片的平面图；
-图1b示出了支撑件由其制成的原始薄片的透视图；
-图2a示出了支撑件由其制成的原始厚片的平面图；
-图2b示出了支撑件由其制成的原始厚片的透视图；
-图3a示出了在将导电材料沉积在周边半腔的壁上的步骤之后的厚片的一部分的平面图及其以侧正视图示出的放大截面中的细节；
-图3b示出了在前一处理步骤之后的处理步骤中的厚片的一部分的平面图；
-图3c示出了在印刷粘合剂玻璃和导电玻璃的步骤之后从厚片的一部分的下方的平面图；
-图4a示出了薄片的一部分、印刷导电迹线的步骤以及印刷由压阻材料制成的电阻的步骤的平面图；
-图4b示出了在印刷粘合剂玻璃的步骤之后以及在印刷导电玻璃的步骤之后的薄片的一部分的平面图；
-图5示出了薄片与厚片之间的联接步骤；
-图6a示出了在厚片与薄片之间进行联接之前的柱的详细截面，
-图6b示出了在厚片与薄片之间进行联接之后的柱的详细截面，其中电连接部在支撑件的厚度中的周边半腔处，
-图6C示出了分成单件之前和之后的柱；
-图7示出了成品压力传感器的示意性透视图；
在本发明的各个优选实施方案中，使用相同的参考标号来表示等效部件。
具体实施方式
参考上述附图，下面示出了根据本发明的平面陶瓷传感器，该传感器使用利用丝网印刷方法及其制造方法的厚膜混合技术。
制造开始于两个片状半成品1、4，这些片状半成品由具有例如矩形形状的绝缘材料制成，优选地由氧化铝制成。
第一片状半成品1的厚度小于第二片状半成品4的厚度。
因此，在下文中，我们将不区分地谈及第一片状半成品或薄片1和第二片状半成品或厚片4。
薄片1具有第一主面150和第二主面160，并且厚片4具有第一主面170和第二主面180，当薄片1和厚片4将被叠加并且彼此平行地联接时，该第二主面打算面向薄片1的第一主面150。
薄片1和厚片4的尺寸被设定成接纳多个元件，该多个元件通常具有分别对应于多个膜100和多个支撑件110的相同形状和尺寸。
与薄片类似，可从薄片1分离的每个膜100具有第一主面200和第二主面210，并且可从厚片4分离的每个支撑件110具有第一主面220和第二主面230，当薄片1和厚片4联接时，该第二主面打算面向对应膜100的第一主面200。
厚片4可以已经具有切口和/或刻痕线以限定支撑件110的最终形状，在该最终形状处，该厚片具有穿过支撑件110的整个厚度的多个腔50，这些腔轴向地置于每个支撑件110的至少一个周边边缘上，每个腔50影响对称地交接的一对支撑件110，在每个支撑件中，限定对应于成品压力传感器130的周边上的半腔5的凹陷部。
通常，为每个支撑件110限定四个半腔5，通常，四个半腔5沿着与支撑件110的周边相同的侧定位。
有利地，根据本发明，平面支撑件110缺乏穿过其厚度的内部通孔，从而确保压力传感器130在完成时具有较大刚性和坚固性，并且增加用于定位电信号的调节电子器件的设计选择，以便能够使压力传感器130小型化。
薄片1可以已经具有将限定传感器的膜的促进断裂线2，该促进断裂线优选地由切口和/或刻痕线制成，优选地通过激光切割制成。
在第一步骤中，利用丝网印刷方法将导电层503沉积在厚片4的多个贯通腔50的壁上(图3a)：有利地，根据本发明，在多个贯通腔50的壁上沉积导电层503将被转化为在随后分开时在壁上沉积对称地交接的每对支撑部110的两倍多个半腔5。
然后，将导电迹线9印刷(图3b)在厚片4的第一主面170上。
导电迹线9与贯通腔50的壁上的导电层503电连接。
此时，在厚片4的第一主面170上，电阻被印刷以对电阻电桥11进行调零，但是也可以添加其他厚膜部件，诸如PTC或NTC以校正或测量传感器的温度漂移，或电阻的PTC或NTC以校正单元的灵敏度。
该操作在薄片上进行。
该组导电迹线9以及可能的其他薄膜部件通常构成支撑件110的第一主面220上的第二电路502。
此时(图3c)，在厚片4的第二主面180上印刷粘合剂材料13，例如将用于连接两个片材1和4并且限定膜100的柔性区域的粘合剂玻璃。
具体地，粘合剂材料层具有被构造作为圆形冠部的中心区域400和通过缺乏粘合剂材料的圆冠形区域402与中心区域400分开的周边区域401。
然后，再次在厚片4的第二主面180上印刷与单个贯通腔的壁上的导电层503电连接且单独连接的低熔点导电玻璃14的单个垫。
此时，支撑件110将由其制成的厚片4准备好联接。
在薄片1的第一主面150上，首先(图4a)利用丝网印刷方法印刷导电迹线16，并将其引至膜100的周边边缘，在几何上对应于在支撑件110中制成的贯通腔50。
然后，印刷惠斯通电桥的由压阻材料制成的电阻18，并且可能定位间隔元件(图中未示出)，该间隔元件可以是例如具有校准直径的小球或线或者具有校准厚度的板。
也印刷用于改善电桥的调零的电阻。
该组导电迹线16和电阻18构成膜100的第一主面200上的第一电路501：因此，该第一电路501包括惠斯通电桥，该惠斯通电桥具有用于供应信号的第一对导电迹线和用于移除信号的第二对导电迹线。
然后，在薄片1的第一主面150上印刷(图4b)粘合剂材料，例如用于胶合到厚片4的粘合剂玻璃21。
具体地，粘合剂材料层21具有被构造作为圆形冠部的中心区域403和通过缺乏粘合剂材料的圆冠形区域405与中心区域403分开的周边区域404。
此时，在膜100的周边边缘处的导电迹线16的端部上方，印刷由低熔点导电玻璃23制成的垫。
此时，薄片1准备好联接。
必须注意，将导电材料置于膜的第一面和支撑件的第二主面两者上是可选的，例如导电材料不能施加到支撑件的第二主面。
联接(图5)通过将薄片1和厚片4置于炉中而发生，如此叠加使得(图6a、图6b)导电玻璃区域14和23被叠加，并且烧结直到粘合剂玻璃13和21熔化，变成一个，从而制作膜100与支撑件110的机械联接部。同时，导电玻璃14和23熔化成柱的形式的导电玻璃，并形成导电迹线16的电连接部，并因此形成第一电路501的电连接部，其中单个贯通腔50的壁上的导电层503已经电连接到第二电路502的迹线9。
因此，膜100的第一主面200上的第一电路501通过支撑件110的周边上的单个贯通腔50的壁上的导电层503电连接到支撑件110的第一主面220上的第二电路502。
此时，厚片4和薄片1形成第三片状半成品300，该第三片状半成品源自第一片状半成品1和第二片状半成品4之间的电和机械联接部。
然后，在厚片4的第一主面170上印刷保护性材料26(通常为玻璃)，并且继续进行随后的制造步骤，该制造步骤可以包括SMT部件的组装、测试、模拟或数字校准等。
有利地，根据本发明，将电连接部置于第一电路501与第二电路502之间被设置用于将导电材料503施加在周边腔50的壁上，这释放了空间并且不限制在支撑件110的主面170上的电路的几何形状，从而允许分立部件的可能的自由安装以及整个压力传感器130的进一步小型化。
然后，将多个分立部件28(诸如电阻、电容器、晶体管、集成电子电路和连接器)装配到第一主面170。
然后，片材300被分成30(图6c)单个压力传感器130，例如沿着将周边腔50一分为二的切割线垂直于片状半成品300利用锯或利用水切割(由箭头29指示)，但是优选地通过在先前公开的促进断裂线上的简单机械作用。
通过该制造方法，可以由两个平片1和4获得具有如图7所示结构的平面压力传感器130。
在实施过程中，已经确定根据本发明的平面陶瓷压力传感器如何特别有利于在支撑件上获得空间以集成分立电气和电子元件并允许传感器的小型化。
根据本发明的平面陶瓷压力传感器的另一个优点是由于在支撑件中没有通孔而具有较大坚固性。
本发明的另一个目的是显露一种易于制作的平面陶瓷压力传感器。
如本文所设想的平面陶瓷压力传感器易于进行许多修改和变型，所有这些都落在发明构思的范围内；此外，所有细节均可替换为技术等同要素。
在实践中，所使用的材料以及尺寸可以根据需要和现有技术而定。
Claims (12)
1.一种压阻式或电容式平面压力传感器(130)，包括由陶瓷材料制成的柔性平面膜(100)和由陶瓷材料制成的相对刚性平面支撑件(110)，其中所述支撑件(110)具有第一主面(220)和第二主面(230)，并且所述膜(100)具有第一主面(200)和第二主面(210)，并且其中所述膜(100)的所述第一主面(200)面向所述支撑件(110)的所述第二主面(230)，所述膜(100)的所述第一主面(200)包括至少一个第一电路(501)，所述支撑件(110)的所述第一主面(220)包括至少一个第二电路(502)，
其特征在于，所述膜(100)的所述第一主面(200)的所述第一电路(501)与所述支撑件(110)的所述第一主面(220)的所述第二电路(502)之间的电连接部被设置在所述支撑件(110)的周边边缘上。
2.根据前述权利要求所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述电连接部被设置在所述支撑件(110)的所述周边边缘的凹陷部中。
3.根据前述权利要求所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述凹陷部在所述支撑件(110)的整个厚度上延伸。
4.根据权利要求2和3所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述电连接部由涂覆所述凹陷部的导电层(503)形成。
5.根据前述权利要求所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述导电层(503)继而具有保护性涂层。
6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述平面支撑件(110)缺乏穿过其厚度的内部通孔。
7.根据权利要求4至6中的一项或多项所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述第一电路(501)包括惠斯通电桥，所述惠斯通电桥具有用于供应信号的第一对导电迹线和用于移除所述信号的第二对导电迹线，所述第一对导电迹线和所述第二对导电迹线通过存在于所述凹陷部中的四个凹陷部中的所述导电层连接到所述第二电路。
8.根据前述权利要求所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述四个凹陷部沿着与所述平面支撑件(110)相同的周边侧定位。
9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述膜(100)的所述第一主面(200)与所述支撑件(110)的所述第二主面(230)之间的机械联接部包括至少一个粘合剂材料层(21,13)。
10.根据前述权利要求所述的平面压力传感器(130)，其特征在于，所述至少一个粘合剂材料层(21,13)具有被构造作为圆形冠部的中心区域和通过缺乏粘合剂材料的圆冠形区域与所述中心区域分开的周边区域。
11.一种用于制造平面压力传感器(130)的方法，所述平面压力传感器包括由陶瓷材料制成的柔性平面膜(100)和由陶瓷材料制成的相对刚性平面支撑件(110)，其中所述支撑件(110)具有第一主面(220)和第二主面(230)，并且所述膜(100)具有第一主面(200)和第二主面(210)，并且其中所述膜(100)的所述第一主面(200)面向所述支撑件(110)的所述第二主面(230)，所述方法包括以下步骤：
-在所述膜(100)的所述第一主面(200)上制作至少一个第一电路(501)，
-在所述支撑件(110)的所述第一主面(220)上制作至少一个第二电路(502)，
-将导电材料(23)沉积在所述膜(100)的所述第一主面(200)上和/或将导电材料(14)沉积在所述支撑件(110)的所述第二主面(230)上，
-在所述膜(100)和所述支撑件(110)之间制作机械联接部，
其特征在于，
所述第一电路(501)与所述第二电路(502)之间的电连接部被设置用于将导电材料(503)施加到凹壁，所述凹壁在所述支撑件(110)的周边边缘处在所述支撑件(110)的整个壁厚上延伸。
12.根据前述权利要求所述的用于制造压力传感器(130)的方法，其中所述膜(100)是第一片状半成品(1)的一部分，其他膜(100)是所述第一片状半成品的一部分，并且所述支撑件(110)是第二片状半成品(4)的一部分，其他支撑件(110)是所述第二片状半成品(4)的一部分，并且其中所述压力传感器(130)连同其他平面陶瓷压力传感器(130)通过沿着第三片状半成品(300)的切割线将所述第三片状半成品分成多件而获得，所述第三片状半成品源自所述第一片状半成品和所述第二片状半成品(1,4)之间的电和机械联接部，其特征在于，在所述第二片状半成品(4)上形成沿着所述切割线定位的孔，并且在于一旦形成切口，所述切口将所述孔分成两半，使得从每个孔形成属于相邻传感器的所述凹陷部中的两个凹陷部。
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