CN117367656A - 一种电容式压力敏感元件及传感器 - Google Patents
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Abstract
一种电容式压力敏感组件，其包括正对地密封接合并围成一安装腔的相对刚性的陶瓷基板和相对柔性的陶瓷膜片；陶瓷基板和陶瓷膜片的相对内侧表面的边缘各自设置有第一金属层和第二金属层，第二金属层与第二金属层之间相焊接；陶瓷基板和陶瓷膜片的相对内侧表面的中央各自地设置有第一极板和第二极板，第一极板与第二极板之间留有极板间隙。上述的电容式压力敏感组件，其可具有极小的极板间距；且由于金属层所赋予的在厚度方向的塑性，可以使极板具有较高的平行度；另外，可通过将第二参考电极设置于陶瓷基板的外侧表面，不仅方便与测量电路的连接，而且充分利用了周缘的支撑面积，可使极板具有较大的面积，进一步地提高了测量精确度。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种电容式压力敏感元件及传感器。
背景技术
现有的陶瓷电容式压力传感器，其通常具有两个上下正对的陶瓷板，其中一个为刚性基板，另一个为弹性薄板，两个陶瓷板的相向一侧表面分别设置有固定极板和可动极板，两极板组成可变电容器。弹性薄板朝向接收压力的一侧，弹性薄板在两侧压力之差的作用下朝一侧弯曲，通过测量可变电容器的电容可以得到该压力差；弹性薄板的外侧边缘与传感器壳体上形成的支撑台阶之间通过密封圈进行压力密封。为了避免两极板间具有固定的间距，需要在两陶瓷板之间隔有陶瓷制的隔环，该环状板与陶瓷板之间通过玻璃填料进行高温熔接。上述的陶瓷电容式压力传感器的制作温度高、工艺复杂；为了获得更大的电容值以尽量提高测量精度，就需要降低隔环的厚度，但通常导致陶瓷隔环在烧结时易产生翘曲而导致表面平面度，提高了密封性的风险，并使两极板表面不平行而反而降低其测量精度。对此，公开号为特开平8-240500的日本专利所采取在两陶瓷板之间加入陶瓷小球或树脂小球的方案，导致工艺复杂；而US20030221493A1则在电极周围设置环状间隔墩，不仅导致工艺复杂，而且限制了电容极板的可用面积；另外，它们所能达到的最小间距依然有一定的改进空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提供一种压力传感器，以解决上述缺陷中的至少一种。
本申请所提供的一种电容式压力敏感组件，其包括正对地密封接合并围成一安装腔的相对刚性的陶瓷基板和相对柔性的陶瓷膜片；陶瓷基板和陶瓷膜片的相对内侧表面的边缘各自设置有第一金属层和第二金属层，第二金属层与第二金属层之间相焊接；陶瓷基板和陶瓷膜片的相对内侧表面的中央各自地设置有第一极板和第二极板，第一极板与第二极板之间留有极板间隙。
优选地，所述第一金属层、第二金属层、第一极板及第二极板中的至少一者由厚膜工艺制作而成。
优选地，所述第一金属层和所述第一极板均由涂覆于陶瓷基板上的金属浆料一同烧结而得到。
优选地，所述第二金属层和所述第一金属层均由涂覆于陶瓷膜片上的金属浆料一同烧结而得到。
优选地，还包括第二参考电极，第二参考电极设置于陶瓷基板的外侧表面与与第一金属层正对。
优选地，第一极板和或第二极板上覆盖有绝缘膜。更进一步优选地，所述绝缘膜为有机膜。
优选地，所述陶瓷基板的内侧表面设有凹腔，所述第一极板设置于凹腔的底部。
优选地，所述陶瓷膜片为透光材料；第一金属层与第二金属层被由陶瓷膜片的外侧垂直入射的激光焊接在一起。
本申请还要求保护一种压力传感器，其包括上述的任意一种电容式压力敏感组件。
本申请的电容式压力敏感组件，可达成极小的极板间距；且由于金属层所赋予的在厚度方向的塑性，可以使极板具有较高的平行度；另外，可通过将第二参考电极设置于陶瓷基板的外侧表面，不仅方便与测量电路的连接，而且充分利用了周缘的支撑面积，可使极板具有较大的面积，进一步地提高了测量精确度。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的电容式压力敏感组件的轴向剖视图；
图2为本发明一优选实施例的陶瓷基板3a和陶瓷膜片3b的内侧正视图；
图3为本发明一优选实施例的电容式压力敏感组件的轴向剖视图；
附图标记说明：30a、凹腔；311、第一导电部；312、第二导电部；313、第一金属化通孔；314、第二金属化通孔；31a、第一极板；31b、第二极板；32a、第一金属层；32b、第二金属层；32、第一参考电极；33、第二参考电极；34、绝缘膜；350、导电迹线；351、电路板；352、键合线；35a、调理元件；35b、其他电子元件；35d、窗口；35、测量电路；3a、陶瓷基板；3b、陶瓷膜片；3、电容式压力敏感组件；
具体实施方式
以下术语的定义应适用于整个申请文件：
术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”“内”、“外”、“远”、“近”及其组合等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该本申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造、操作和使用，因此不能理解为对本申请的限制；并且，术语“水平”、“水平面”在未限定其与地心引力方向的特别关系时，是指与该“上”、“下”大致垂直的方向或平面，“纵”、“横”在未限定其所在平面时，是指在该“水平面”上的相正交两个方向；
术语“和/或”是指所列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合；
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义；
术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；
术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且如果说明书陈述了部件或特征“可”、“可以”、“可能”、“有可能地”、“能够”、“能”、“优选地”、“较佳地”、“最好”、“特别地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”、“具体地”(或其他此类词语)被包括或具有某特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性，而是可选择性的，即这种部件或特特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外；
短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”、“在其他的实施方案中”、“在另外的实施方案中”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中(重要的是，这类短语不一定是指相同实施方案)；如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。下列的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。在以下描述中，相同的标记用于表示相同或等效的元件，并且省略重复的描述。
如图1、图2所示，本申请的一优选实施例的电容式压力敏感组件3，其包括上下密封接合以形成密合腔(未标记)的陶瓷基板3a和陶瓷膜片3b。陶瓷基板3a的内侧表面(图1中的下侧表面)的相对中央处设有第一极板31a，陶瓷膜片3b的内侧表面对应地设置有第二极板31b。第一极板31a和第二极板31b的内侧表面最好全部暴露于密合腔内，两者之间正对形成可变的第一电容器。第一极板31a和第二极板31b之间留有间隙(可称为极板间隙)。第一极板31a为刚性板，陶瓷膜片3b具有一定的弹性，其外侧表面与压力介质接触并在介质和密合腔内的压力(参考压力)的压力差的作用下朝内侧或外侧发生弹性弯曲，进而使第一电容器的电容发生变化，其电容大小可表征该压力差。
本实施例中，陶瓷基板3a的内侧表面的相对边缘处设有第一金属层32a，陶瓷膜片3b的内内里表面的相对边缘处设有与第一金属层32a正对的第二金属层32b。第一金属层32a与第二金属层32b连接组成第一参考电极32。陶瓷基板3a的外侧表面设有第二参考电极33，第二参考电极33与第一参考电极32在陶瓷基板3a的厚度方向上正对，并组成第二电容器(即参考电容器)。第二电容器不会随该压力差变化，但会随温度变化，因此其可作为参考电容以反映温度所造成的相对误差大小，第一电容器所测得的电容大小可以参考该值进行误差补偿。
其中，与现有技术中通过一个陶瓷环与两个陶瓷板之间通过低温玻璃填料进行高温烧结连接不同，在本实施例中，使第一金属层32a和第二金属层32b密封焊接，例如可通过激光焊接、摩擦焊等方式密封地焊接在一起。上述的极板31a、31b及金属层31b、32b可以通过已知的各种适宜方法覆盖于陶瓷基板3a或陶瓷膜片3b上，例如蒸镀工艺、厚膜工艺、溅射工艺、沉积工艺等；优选地，它们可由厚膜工艺制作，这样能够较低的制作成本制作成一致、足够的厚度(金属层31b、32b最好分别大于或等于0.2mm，或一起大于或等于0.4mm)。较佳地，第一极板31a和第二金属层32b具有同样的厚度，这样便于一同制作；或者分别将金属浆料在陶瓷膜片3b上涂覆(例如丝网印刷)不同厚度，再一同烧结；第二极板31b和第一金属层32a也可以具有同样的厚度；或者分别将金属浆料在陶瓷膜片3b上印刷不同厚度，再一同烧结。第二参考电极33也可以通过类似的方法制作于陶瓷基板3a的外侧表面。其中，上述金属浆料可以为铝浆料或由其他适合激光焊接的金属制作的浆料；较佳地，上述金属浆料为铝浆料，上述陶瓷基板3a和陶瓷膜片3b均为氧化铝。
在其他的一些方案中，优选地，第二极板31b和/或第一极板31a的内侧表面覆盖有绝缘膜34。绝缘膜34的材质可尽量选择高绝缘强度、低介电性、高塑性的有机材料，例如聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜等；它们的厚度可低至0.1mm，它们可以通过粘贴、热缩等方式固定于对应的陶瓷基板3a或陶瓷膜片3b的内侧表面；在另外的一些方案中，它们也可以是一些用已知方法制作于上述表面合适的无机材料，例如可通过辊压或和刮薄的方法，将粉状无机非金属材料粉体(如低温玻璃)铺平于上述表面后进行烧结，或者通过使用机非金属靶材经溅射制作于上述表面。
其中陶瓷基板3a的外侧表面设置有测量电路35。测量电路35包括用于处理电信号的调理元件35a，以其他电子元件35b。它们通过制作于陶瓷基板3a外侧表面上的导电迹线350电连接在一起。测量电路35分别与第一极板31a和第二极板31b电连接，并且分别与第二参考电极33和第一参考电极32电连接。例如，陶瓷基板3a上设置有第一金属化通孔313和第二金属化通孔314，第一极板31a通过第二金属化通孔314连接至导电迹线350；第一金属层32a的径向内侧朝内延伸形成第二导电部312，第二导电部312经第一金属化通孔313电连接至导电迹线350。第二极板31b则可与第二金属层32b通过径向延伸的第一导电部311实现电连接。在其他的一些方案中，优选地，第一导电部311可以不与第二金属层32b连接，而是与第一金属层32a上分离形成的一接触岛315上下接触或焊接，接触岛通过陶瓷基板3a内设置的另一金属化通孔316电连接至导电迹线350，这样可以降低寄生电容的影响。
第二参考电极33则可直接延伸并电连接于导电迹线350上。当然，在其他的一些实施例中，第一极板31a和第一金属层32a还可以通过其他电馈通结构朝测量电路35一侧贯穿陶瓷基板3a后与导电迹线350电连接，例如可在陶瓷基板3a上开设有过孔，第一极板31a和第一金属层32a分别通过一个金属插针电连接至导电迹线350，金属插针穿设陶瓷基板3a且通过玻璃子与陶瓷基板3a密封。
请结合参阅图3，与第一优选实施例所不同的是测量电路35设置于一电路板351上，电路板35可通过粘接等方式固定于陶瓷基板3a的上表面的相对中部。电路板351上可开设有窗口35d或开口，以容许第二金属化通孔314和第一金属化通孔313的一端各自通过一穿设该窗口35或开口的键合线352电连接至导电迹线350。
在上述的各实施例中，在通过激光焊接第一金属层32a和第二金属层32b是，可大致地沿两者的接合缝隙射入，如方向W1所示；在另外的一些方案中，陶瓷膜片3b可优选地由透明材料或具有一定透光性的材料制成，例如氧化铝透明陶瓷、氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、镁铝尖晶石透明陶瓷、氮化铝透明陶瓷等，这样能够通过激光从陶瓷膜片3b一侧垂直地由陶瓷膜片3b的外侧表面入射并透过陶瓷膜片3b后照射于第二金属层32b上(如方向W2所示)，进而可使第一金属层32a和第二金属层32b之间的焊接面(的径向宽度)不受限制，进而提高密封可靠性。在其他的一些方案中，优选地，可于陶瓷基板3a上开设有沿厚度方向贯通陶瓷基板3a的参考压力孔(未示出)，以向密合腔内引入参考压力(例如传感器壳体内腔的压力，或大气压力)。上述实施例中，只要保证极板间距具有合适的间距供陶瓷膜片3b变形，极板间距可以做到极小甚至接近零。另外地，还可以在陶瓷基板3a的内侧形成凹腔30a，并将第一极板31a设置于凹腔30a的底部，这样可以进一步地在保证极板间距具有合适的间距供陶瓷膜片3b变形的同时尽量地降低金属层的厚度以节约成本。其中，凹腔30a可在陶瓷基板3a压制成型或注塑成型时制作于陶瓷基板3a上。
在上述的各实施例中，陶瓷基板3a、陶瓷膜片3b、第一极板31a、第二极板31b最好地大致为圆形。第一金属层32a和第二金属层32b最好地大致为环形。
本公开内容的范围不是由详细描述限定，而是由权利要求及其等同方案限定，并且在权利要求及其等同方案范围内的所有变型都解释为包含在本公开内容中。
Claims (10)
1.一种电容式压力敏感组件，其特征在于，包括正对地密封接合并围成一安装腔的相对刚性的陶瓷基板(3a)和相对柔性的陶瓷膜片(3b)；陶瓷基板(3a)和陶瓷膜片(3b)的相对内侧表面的边缘各自设置有第一金属层(32a)和第二金属层(32b)，第二金属层(32b)与第二金属层(32b)之间相焊接；陶瓷基板(3a)和陶瓷膜片(3b)的相对内侧表面的中央各自地设置有第一极板(31a)和第二极板(31b)，第一极板(31a)与第二极板(31b)之间留有极板间隙。
2.根据权利要求1所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，所述第一金属层(32a)、第二金属层(32b)、第一极板(31a)及第二极板(31b)中的至少一者由厚膜工艺制作而成。
3.根据权利要求2所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，所述第一金属层(32a)和所述第一极板(31a)均由涂覆于陶瓷基板(3a)上的金属浆料一同烧结而得到。
4.根据权利要求2所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，所述第二金属层(32b)和所述第一金属层(32a)均由涂覆于陶瓷膜片(3b)上的金属浆料一同烧结而得到。
5.根据权利要求1所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，还包括第二参考电极(33)，第二参考电极(33)设置于陶瓷基板(3a)的外侧表面与与第一金属层(32a)正对。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，第一极板(31a)和/或第二极板(31b)上覆盖有绝缘膜(34)。
7.根据权利要求6所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，所述绝缘膜(34)为有机膜。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，所述陶瓷基板(3a)的内侧表面设有凹腔(30a)，所述第一极板(31a)设置于凹腔(30a)的底部。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的电容式压力敏感组件，其特征在于，所述陶瓷膜片(3b)为透光材料；第一金属层(32a)与第二金属层(32b)被由陶瓷膜片(3b)的外侧垂直入射的激光焊接在一起。
10.一种压力传感器，其特征在于，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电容式压力敏感组件。
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| CN (1) | CN117367656A (zh) |
-
2023
- 2023-10-09 CN CN202311306373.7A patent/CN117367656A/zh active Pending
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |