CN1334451A - 陶瓷压力传感器及差压传感器 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷压力传感器及差压传感器,其基座和膜片用同种陶瓷材料制作,基座上设通气孔,基座与膜片的对应面分别设表面覆盖无机材料绝缘层的电极,基座和膜片的周边均用无机材料设置一圈凸台,凸台的对应面中间用封接玻璃层密封。电极采用金薄膜,其引出线从基座上的金属化小孔或基座侧壁上的金属化沟槽内引出,与位于基座上的专用处理电路连接。蠕变小,反应速度快,温度稳定性好,耐腐蚀,抗干扰和抗过载,精度高。

Description

陶瓷压力传感器及差压传感器

本发明属于压力检测技术领域，特别涉及一种陶瓷压力传感器及差压传感器。

现有技术中用于检测压力的传感器，主要有电阻应变片式、硅扩散片式、压电式、电感式、电容式等形式的压力传感器。这些传感器各有利弊，它们的缺点主要有线性差、重复性差，滞后、蠕变严重，反应速度慢，温度稳定性不好，抗冲击。抗过压能力差；或测量范围小：或温度和时间稳定性较差，而且体积较大。

日前已有几个改进方案，例如，ZL87209178公开了一种耐高温抗振型电容压力传感器，包括一个由75氧化铝陶瓷材料制成的基座和一个由95氧化铝陶瓷材料制成的膜片，基座和膜片分别制备一对银电极，上述基座和膜片之间用云母片隔开并用铅玻璃固定在一起形成一介质腔，构成压力传感器。

US4388668公开了一种电容压力传感器，包括由陶瓷材料制成的一个基座和一个膜片，基座和膜片分别制备一个金属电极，上述基座和膜片之间用玻璃隔离层隔开并固定在一起形成一介质腔，构成压力传感器。

US4531415公开了一种电容差压传感器，包括由陶瓷材料制成的一个基座和两个膜片，基座两面和膜片的一面分别制备一个金属电极，上述基座和膜片之间用玻璃隔离层隔开并固定在一起形成两个介质腔，构成差压传感器。

中国专利申请95103518.5公开了一种电容压力传感器或差压传感器，对上述美国专利进行了改进，在陶瓷基座的电极上覆盖了一层高温玻璃绝缘层防止电极短路。

ZL87209178存在如下不足：

1.基座和膜片的材料热膨胀系数不一致，难以保证传感器封接的可靠性和测量的稳定性：

2.银电极表面粗糙、难以形成表面平整光滑的电极层，给后工序加工带来难度，容易造成电极短路，且银电极易氧化、不耐腐蚀，难以在其表面覆盖无机绝缘材料。

3.用云母片来控制电容间隙有一定工艺难度。

中国专利申请95103518.5公开的电容压力传感器，由于系周边支撑圆盘结构单电容，未能解决当大压力时，由于边缘效应，存在的较大的非线性；传感器本身不带处理电路，由于分布电容的影响，难于远距离使用；基座不带排气孔，密封时内部气体和挥发物在高温下难排除，因而封接质量不高。

中国专利申请95103518.5公开的电容压力传感器或差压传感器，采用同一种的原始玻璃材料加工绝缘层和其边缘层厚度增加的隔离层，及加热密封的工艺，较难控制。上述压力传感器和压差传感器的改进型另加一层用陶瓷或高温玻璃制备的可磨削加工的绝缘层，并在其上制备隔离层的方法，除增加了介质厚度使传感器电容量变小，增加了加工难度外，其意义不大。

本发明的目的是提供一种蠕变小，反应速度快，温度稳定性好，耐腐蚀，抗干扰和抗过载，精度高的陶瓷压力传感器及差压传感器。

具体技术方案为设计一种陶瓷压力传感器，包括基座、膜片和分别设置在基座及膜片上的电极，其特征在于基座和膜片用同一种陶瓷材料制作，基座上设置通气孔，基座与膜片的对应面上分别设置电极，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边均用无机材料设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封，电极分别从基座上的金属化小孔或基座侧壁上的金属化沟槽内引出。

上述的陶瓷压力传感器，其电极采用导电金薄膜，电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

上述的陶瓷压力传感器，其基座与膜片的组合可以是一个基座和一片膜片的组合，也可以是一个基座和两片膜片的组合。

上述的陶瓷压力传感器，其特征在于基座和两片膜片的组合中，基座的中间至少有一个小孔连通两介质腔，其中一个孔与侧面的排气孔连通，基座居中与膜片对应的两平行表面分别设置双电极，膜片与基座对应的面上设置单电极，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边分别用无机材料各设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封为两个介质腔，构成两组四个电容器，电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

设计一种陶瓷差压传感器，包括基座、膜片和分别设置在基座及膜片上的电极，其特征在于基座和膜片用同一种陶瓷材料制作，在基座中心有多个小孔，其中一个孔与侧面的排气孔连通，居中的基座与膜片对应的两平行表面分别设置单电极，两片膜片与基座对应的面上分别设置单电极，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边分别用无机材料各设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封为两个介质腔，电极分别从基座侧壁上的金属化沟槽引出。

上述的陶瓷差压传感器，其电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

上述的陶瓷差压传感器，其两个介质腔均充填硅油。

设计一种陶瓷差压传感器，包括基座、膜片和分别设置在基座及膜片上的电极，其特征在于基座和膜片用同一种陶瓷材料制作，在两个基座中心至少各有一个兼作通气和压力信号输入口的小孔，两个基座与膜片对应的面上设置单电极，居中的一片膜片两面与基座对应的面上分别设置单电极，电极采用导电金薄膜材质，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边分别用无机材料各设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封为两个介质腔，电极分别用基座侧壁上的金属化沟槽引出。

上述的陶瓷差压传感器，其特征在于其电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

上述的陶瓷压差传感器，其特征在于两个介质腔内均充填硅油。

本发明与现有技术相比，具有：

1.采用增韧的微晶氧化铝陶瓷制造压力传感器，解决了普通氧化铝陶瓷强度低、表面粗糙，不适合压力传感器加工的问题，由于陶瓷材料韧性的提高，膜片的力学敏感性大为提高，传感器采用非充液干式设计，使传感器的加工精度大大提高，蠕变特性大大改善；

2.传感器基座和膜片全部采用同一种陶瓷材料制备，绝缘膜、介质腔凸台、密封材料全部选用与陶瓷体热膨胀系数相近的不同的材料，并采用不同的工艺制造，解决了陶瓷压力传感器的封接质量差、热稳定性不好的问题：本发明传感器介质腔厚度低于100μm，因而抗冲击、抗过压能力较强；

3.采用金薄膜电极，解决了传感器电极易氧化、耐腐蚀性差的问题；

4.采用双电容修正和电路修正两级方案，解决了压力传感器由于边缘效应造成的非线性大的问题：

5.给压力传感器增加一通气口，改善了封接质量；并有加管口的改型设计，使其适合于测量相对压力和某些特定的条件下(例如非腐蚀性气体)测量压差使用；

6.压力传感器采用双膜片改型设计，使其适合于测量微压；

7.为压力传感器配备了一体化的处理电路，该电路同时具有信号转换、放大、温度补偿、线性修正、零点量程调节等功能。将随压力变化的测量电容与参照电容量的差值信号转变为电压、电流信号后输出，抗干扰能力强、可以远距离传输；

8.差压传感器的双膜片设计，可以在高静压下测量压差：

9.差压传感器的单膜片改型设计，采用非充液干式设计，体积大大缩小、稳定性明显改善。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述：

图1是本发明一个实施例中所示的一种陶瓷压力传感器的结构示意图；

图2是图1中的电极在基座上布置形态举例示意图：

图3是图1中的电极在膜片上布置形态举例示意图：

图4是另一个实施例中所示的一种带通气管口的陶瓷压力传感器的结构示意图；

图5是图4中的电极在基座上布置形态举例示意图；

图6是另一个实施例中所示的一种测量微压的陶瓷压力传感器的结构示意图；

图7是另一个实施例中所示的一种双膜片陶瓷差压传感器的结构示意图：

图8是另一个实施例中所示的一种单膜片陶瓷差压传感器的结构示意图。

实施例一图1所示的实施例中陶瓷压力传感器包括一块基座1和一片膜片2，它们全部用同一种陶瓷材料制造，基座上的电极是双电极3、4，膜片上的电极是单电极5，电极全部用金导电薄膜制造，电极3、4和5的上面分别覆盖无机材料绝缘层6和6’，陶瓷基座1和膜片2的周边分别用无机材料制备一圈凸台7和7’，所述的无机材料使用硼铝硅玻璃，中间用封接玻璃层8密封为一介质腔，构成一组电容。电极3、4和5分别从基座1上金属化的小孔9引出，在基座1的背后有一排气孔10用于密封时排气，压力作用于膜片上，随压力变化电容值发生变化，当测量相对压力时小孔可作为环境压力的通孔，测量绝对压力时可将该小孔在真空下封死。

当压力加大时电容器的电容量变大，将电容量信号转换为电压、电流信号后输出。经信号处理后的传感器抗干扰能力及稳定性都大大提高，可直接装壳远距离传输采样、测量。

传感器基座和膜片采用同一种陶瓷材料制备，机械强度高、弹性模量大、微观结晶粒度细小均匀；

电极采用成膜连续、膜层细腻光滑、与陶瓷体结合牢度高、导电良好的金电极材料制备，可解决电极易氧化、耐腐蚀差的问题。

压力传感器采用双电容设计，两电容静态电容量相等，可以减少温度的影响，同时，其一电容为测量电容随压力变化；另一电容为参照电容随压力稍有变化，测量电容的非线性量变化量与参照电容的总变化量相近，取其差值信号通过处理电路进行两级线性修正。

绝缘膜除须绝缘外还应耐高温，可采用真空溅射、气相沉积、高温烧结无机材料薄膜制作。

介质腔凸台决定电容量的大小和传感器的稳定性，必须采用与传感器陶瓷体热膨胀系数相近的零力学滞后材料制造，木发明传感器介质腔厚度低于100μm，因而抗冲击、抗过压能力较高；

因传感器系采用封接玻璃密封，为保证封接过程中气体和挥发物的排出，基座上设置一小孔，该小孔可作为测量相对压力时的环境通孔，当测量绝对压力时可将该小孔在真空下封死。

本发明把一专用的处理电路与传感器结合在一起，该电路可采用充放电式电路，也可采用脉冲调宽式电路，将随压力变化的测量电容与参照电容量的差值信号转变为电压、电流信号后输出。该电路同时具有信号转换、放大、温度补偿、线性修正、零点量程调节等功能。

实施例二图4所示的实施例中，设置情况基本与例一同，但电极3、4和5分别从基座1侧面金属化的沟槽9引出，在基座1的背后有一管口10用于密封时排气，压力作用于膜片上，随压力变化电容值发生变化，将电容信号用处理电路11转换为电压信号后输出，当测量相对压力时小孔可作为的环境压力的通孔，某些特定的条件下(例如非腐蚀性气体)可测量差压。所述的无机材料使用铅硅铝玻璃。

可将陶瓷基座上的排气小孔改为变径的大孔或管口，以方便测量相对压力时的环境压力的引入。

实施例三图6所示的实施例中，设置情况基本与例一同，但基座与膜片间用封接玻璃层密封为两个腔体，构成两组四个电容器，，两组电容的测量电容并联、参照电容也并联，电极分别从基座1侧面上金属化的沟槽引出，在基座1的中间至少有一个连通孔11用于连通两腔体，其中一个连通孔与侧面的统一的排气孔10连通，用于密封时排气，使用时将其装入密封环12和外壳13、14上，压力通过连通管道15同时施加在两片膜片2和2’上，随压力变化电容值发生变化，可用来测量微压力。所述的无机材料使用硅硼铅玻璃。

可将陶瓷基座两面各制备上两对电极，然后按上述工艺制备绝缘膜、凸台，同时密封上两片同样制备好的膜片，两组电容的测量电容并联、参照电容也并联，同一的通气孔在陶瓷基座的侧壁上，使用时将压力同时施加在两片膜片上，可用来测量微压力。

实施例四图7所示的实施例中陶瓷差压传感器包括一块基座1和两片膜片2、2’它们全部用同一的陶瓷材料制造，基座上的两面分别制作电极3和电极4，两片膜片上的电极分别是电极5和5’，电极全部用金导电薄膜制造，电极3、4和5、5’的上面分别覆盖无机材料绝缘层6和6’，陶瓷基座1两面的周边和两片膜片2的周边分别用无机材料制备一圈凸台7和7’，所述的无机材料使用硼铝硅玻璃，中间用封接玻璃层8和8’密封为两个腔体，形成两个电容。电极3、4和5、5’分别用基座1上金属化的沟槽引出，在基座1的中心至少有一个连通孔11，其中一个孔与侧面的排气孔10连通，用于密封时排气，当密封完成后，从该小孔灌充硅油然后封死。测量时其中一个膜片接触高压力，另一个膜片接触低压力，硅油作为压力传导介质，当两膜片两边的压力不同时，压力大的一边电容器电容量变大，压力小的一边电容器电容量变小，构成了一种陶瓷差压传感器，将传感器电容量的差值信号经处理可以得出压差信号。

本陶瓷电容式差压传感器采用与陶瓷压力传感器相同的材料和工艺进行加工，通过侧壁的通气孔和连通孔向两个介质腔中充填硅油，形成两个以硅油为介质的电容器，硅油同时又是力的传导介质，当两膜片的两边的压力不同时，压力大的一边电容器电容量变大，压力小的一边电容器电容量变小，构成了一种陶瓷电容式差压传感器，将传感器电容量的差值信号经处理可以得出压差信号。

实施例五图8所示的实施例中，陶瓷差压传感器包括一片膜片2和两块基座1、1’，它们全部用同一种陶瓷材料制造，两块基座上的一面分别制作电极5和电极5’，一片膜片的两面分别制作电极3和3’，电极全部用金导电薄膜制造，电极3、3’和5、5’的上面分别覆盖无机材料绝缘层6和6’，两块陶瓷基座1、1’的一面的周边和一片膜片2的两面的周边分别用无机材料制备一圈凸台7、7’，所述的无机材料使用铅硅铝玻璃，中间用封接玻璃层8、8’密封为两个腔体，形成两个电容。电极3、3’和5、5’分别从基座上金属化的沟槽引出，在两块基座的中心设置小孔11、11’，用于密封时排气，当密封完成后，该小孔同时作为压力信号输入口，测量时其中一个膜片接触高压力，另一个膜片接触低压力，不用硅油作为压力传导介质，当两膜片的两边的压力不同时，压力大的一边电容器电容量变大，压力小的一边电容器电容量变小，构成了一种陶瓷差压传感器，将传感器电容量的差值信号经处理可以得出压差信号。本传感器也可通过隔离膜密封后再填充硅油后使用。

本陶瓷电容式差压传感器采用与陶瓷压力传感器相同的材料和工艺进行加工，两个介质腔中不充填硅油，形成两个以被测量介质为介质的电容器，当两膜片两边的压力不同时，压力大的一边电容器电容量变大，压力小的一边电容器电容量变小，构成了一种陶瓷电容式差压传感器，将传感器电容量的差值信号经处理得出压差信号。但此差压传感器不能测量导电介质和腐蚀性介质，而且必须针对进行不同测量介质进行标定。本传感器也可通过隔离膜密封再填充硅油后使用。

Claims (10)

1.一种陶瓷压力传感器，包括基座、膜片和分别设置在基座及膜片上的电极，其特征在于基座和膜片用同一种陶瓷材料制作，基座上设置通气孔，基座与膜片的对应面上分别设置电极，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边均用无机材料设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封，电极分别从基座上的金属化小孔或基座侧壁上的金属化沟槽内引出。

2.一种按照权利要求1所述的陶瓷压力传感器，其特征在于电极采用导电金薄膜，电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

3.一种按照权利要求1所述的陶瓷压力传感器，其特征在于基座与膜片的组合可以是一个基座和一片膜片的组合，也可以是一个基座和两片膜片的组合。

4.一种按照权利要求3所述的陶瓷压力传感器，其特征在于一个基座和两片膜片的组合中，基座的中间至少有一个小孔连通两介质腔，其中一个孔与侧面的排气孔连通，基座居中与膜片对应的两平行表面分别设置双电极，膜片与基座对应的面上设置单电极，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边分别用无机材料各设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封为两个介质腔，构成两组四个电容器，电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

5.一种陶瓷差压传感器，包括基座、膜片和分别设置在基座及膜片上的电极，其特征在于基座和膜片用同一种陶瓷材料制作，在基座中心有多个小孔，其中一个孔与侧面的排气孔连通，居中的基座与膜片对应的两平行表面分别设置单电极，两片膜片与基座对应的面上分别设置单电极，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边分别用无机材料各设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封为两个介质腔，电极分别从基座侧壁上的金属化沟槽引出。

6.一种按照权利要求5所述的陶瓷差压传感器，其特征在于电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

7.一种按照权利要求5所述的陶瓷差压传感器，其特征在于两个介质腔内均充填硅油。

8.一种陶瓷差压传感器，包括基座、膜片和分别设置在基座及膜片上的电极，其特征在于基座和膜片用同一种陶瓷材料制作，在两个基座中心至少各有一个兼作通气和压力信号输入口的小孔，两个基座与膜片对应的面上设置单电极，居中的一片膜片两面与基座对应的面上分别设置单电极，电极采用导电金薄膜材质，电极表面覆盖无机材料的绝缘层，陶瓷基座和膜片的周边分别用无机材料各设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封为两个介质腔，电极分别从基座侧壁上的金属化沟槽引出。

9.一种按照权利要求8所述的陶瓷差压传感器，其特征在于电极引出线与位于基座上的专用处理电路连接。

10.一种按照权利要求8所述的陶瓷差压传感器，其特征在于两个介质腔内均充填硅油。

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