厚膜陶瓷電容式壓力傳感器的設(shè)計與制備

1、厚膜陶瓷電容式壓力傳感器的設(shè)計與制備arch&Development開發(fā)電勰設(shè)計與制備成寫雷注:安徽省科技攻關(guān)項目資助(批準(zhǔn)號:040120503)摘要:結(jié)合厚膜技術(shù),陶瓷技術(shù)研制了雙電容結(jié)構(gòu)的壓力傳感器,詳細(xì)闡述了厚膜陶瓷電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,工作原理,制備方法,測試結(jié)果.試驗結(jié)果表明:研制的傳感器工作穩(wěn)定,測量精確,非線形誤差低于1.O%,遲滯誤差小于0.5%,測試電容和參考電容溫度系數(shù)幾乎一致.關(guān)鍵詞:厚膜;電容式;壓力傳感器中圖分類號:TP212.12文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-883X(2006)12一12-0004李鵬李民強(qiáng)一,前言現(xiàn)代工業(yè)中壓力傳感器有著極其廣泛的用途

2、,例如測量壓力,液位,物質(zhì)成分比等,具有廣大的市場前景.厚膜陶瓷電容式壓力傳感器是利用電容變間隙式原理,采用厚膜傳感技術(shù)和厚膜混合集成技術(shù)相結(jié)合,運(yùn)用零力學(xué)滯后的陶瓷技術(shù)研制而成的非充液空氣介質(zhì)的傳感器,同以往的壓力傳感器相比,具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,精度高,溫度漂移小,抗干擾能力強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡單,電容溫度系數(shù)小,抗過載,耐腐蝕,蠕變和遲滯小,適用范圍廣等優(yōu)點,成為具有良好應(yīng)用前途的感壓元件.厚膜陶瓷電容式壓力傳感器作為感壓元件是獲取工業(yè)現(xiàn)場信號的重要裝置,為后端信號處理電路提供了檢測數(shù)據(jù),是決定智能壓力變送器性能的關(guān)鍵部件,影響著變送器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等.本文講述了厚膜陶瓷電容式壓力傳感器的

3、雙電容結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部工作原理,對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了推導(dǎo)計算,得到了參考電容和測量電容隨壓力變化的理論公式,給出了在實際生產(chǎn)中的厚膜工藝,最后分析產(chǎn)品(直徑為28mm和40mm的感壓元件)的測試結(jié)果,并給出總結(jié).二,結(jié)構(gòu)原理與推導(dǎo)計算1,結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理電容式壓力傳感器是使用變隙式工作原理制成的感壓元件,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.蓋板和膜片均為陶瓷制品(其主要化學(xué)成分為AIO),通過厚膜絲網(wǎng)印刷工藝將鈀銀電極漿料(Pd.Ag電極)印制在蓋板和膜片上;利用環(huán)形低溫玻璃將陶瓷蓋板和彈性膜片電極粘接成一體,經(jīng)烘干和高溫?zé)Y(jié)便形成了傳薯囂世界2006.12l0jlI21:粘接玻璃層2:陶瓷蓋板3:參考電極引線4:軟

4、性電路板5:測量電極引線6:測量電極7:公共電極引線8:參考電極9:通氣孔10:二氧化硅絕緣膜ll:公共電極l2:陶瓷彈性膜片圖1電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖一個非充液空氣介質(zhì)的電容器,其電容量由電容面積和兩極間的間隙決定.電極初始間隙由燒結(jié)的玻璃體控制,當(dāng)感壓元件的彈性膜片受到外加壓力時,彈性膜片產(chǎn)生形變,使兩電極間隙減小,引起感壓元件電容量的變化,電容的變化量與壓力大小成比例.由于陶瓷膜片邊緣固定在陶瓷基座上,周邊支撐,受力時中間形變大,邊緣形變小,電容量輸出具有非線性且其靈敏度較低.為減少溫度影響和邊緣效應(yīng),設(shè)計時在陶瓷膜片上設(shè)置一圓形的單電極作為公共電極,陶瓷蓋板上設(shè)置雙電極并使兩電極面積相

5、等,構(gòu)成同軸環(huán)狀的雙電容感壓元件結(jié)構(gòu).中心為測量電容C.,邊緣環(huán)形為參考電容C,C的外側(cè)是固支邊.所研制的厚膜版圖,設(shè)測量電極半徑R.,參考電極內(nèi)半徑R2,參考電極外半徑R3,則應(yīng)滿足R3.R22=Rl,即測量電極與參考電極面積相等,也使測試電容和參考電容的初始容值相等,同時R2比Rl大0,5cm以上,以減小測量電容和參考電容之間的干擾.雙電容結(jié)構(gòu)大大減小了傳感器系統(tǒng)的非線性誤差,同時在環(huán)境溫度變化時,由于兩電容感受同一溫度的變化,溫度對它們所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是一致的,差分輸出時消去了溫度影響,這就減小了因溫度引起的測量誤差,起到了溫度自補(bǔ)償作用.研制了膜片直徑為28mm和40mm兩種感壓元件,

6、圖2為40mm雙電容感壓元件的電極網(wǎng)版設(shè)計圖.電極板粘接時C對C作為公共電極引出端,A對A作為測量電容引出端,B對B作為參考電容引出端,通過粘接密封網(wǎng)版將上下電極邊緣印刷玻璃粘接.2,推導(dǎo)計算由物理學(xué)可知,電容器的電容量是構(gòu)成電容器的兩個極板形狀,大小,相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù).以最簡單的平板單電容器為例,當(dāng)不考慮邊緣電場影響,在零壓時其初始電容量為:爨蕊OevelopmentCo:IIEOC-rR2(?1)一一,其中,一真空介電常數(shù),s0=8.85410mF/cm:品一極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù),介質(zhì)腔為空氣,01;一電容極板間的初始間隙,單位m;一電極半徑,單位m.對彈性膜片施加壓力P

7、時,則距膜片中心為r處受壓其極距間隙變化量(撓度)為:Gzf其中,一撓度,單位:m;c廣泊松比,0.3:E一揚(yáng)氏彈性模量,單位:N/m;P一壓力,單位:N;卜彈性膜片厚度,單位:m;口_彈性膜片半徑,單位:m.可見受載后彈性膜片發(fā)生撓曲,由于電容量的可加性,若電極半徑為R,則總電容量為各撓曲微元電容的積分:c=器do.r.=盟do一1一旦撓度不會超過電容初始間隙,當(dāng)l時出現(xiàn)壓力P的非線性項.只有當(dāng)撓度do時,即WJdo4140皇338373635103O6O9O12015Ol80jK力ikPa圖328mm產(chǎn)品壓力一電容曲線圖7l.-k-Cr)Jll!i,-7O6968饕二】6766IO)036

8、9125lf/kPa圖440mm產(chǎn)品壓力一電容曲線圖4O.,/39+Cpi;_l鷹38.妻37.P/.36一+cf泓艘0255075l0(1l5泓度,圖528mm產(chǎn)品溫度一電容曲線圖,u69.,/堇60r一一一+cp瀕瞳饕掣67.一.一一Ircr溢鷹66o255O75100l25溢鷹九?圖640mm產(chǎn)品溫度一電容曲線圖在壓力測試實驗中,采用浮球式壓力計作為施壓和測壓設(shè)備,采用電容測試儀作為電容測量裝置,得到28mm和40mm兩組感壓元件的壓力一電容,C關(guān)系曲線如圖3,圖4所示.壓力測試實驗表明:兩組樣品的測試電容和參考電容C與外加壓力都有很好的線性關(guān)系,非線性誤差小,最大不超過1%,曲線較為平

9、滑,并且加壓,減壓的壓力正反行程曲線重合得很好,遲滯誤差很小,都在O.5%以內(nèi),這為感壓元件后續(xù)的信號處理電路提供了很寬的性能提高空間.測試結(jié)果也表明:C隨壓力變化相對小,其靈敏度較低,因為電極在陶瓷蓋板的外環(huán),相同的壓力使C間隙變化相對小,所以靈敏度較低,隨壓力變化相對緩慢,這就保證了后續(xù)信號處理電路處理電容差直時也有一定的靈敏度輸出.兩組樣品的測試電容和參考電容初始值大致相等,但也存在偏差,偏差的產(chǎn)生一方面是電極間隙控制存在誤差,上下電極粘結(jié)時工藝因素也可能導(dǎo)致較大的偏差,比如:粘結(jié)時上下電極沒完全對準(zhǔn)或兩側(cè)用力不均,同時設(shè)計時為使上下電極充分粘結(jié)密封,粘結(jié)玻璃層內(nèi)半徑比參考電極外半徑小0

10、.5mm左右,參考電極和粘結(jié)玻璃有面積重疊,這部分電容單元的介質(zhì)是玻璃不再是空氣,玻璃的介電常數(shù)比空氣大,也可能使參考電容初始值比測量電容大;另外,電容測試過程中,電容引出線及儀器周邊設(shè)備都可能產(chǎn)生電容分布干擾,存在少許寄生電容,在電容測試中,應(yīng)將整個測試裝置固定,并充分接地屏蔽,電容引出線盡可能短,且適當(dāng)分開或垂直,并用單刀雙擲開關(guān)一次性測試和值,保證雜散電容小而穩(wěn)定.在溫度測試實驗中,采用專用溫度試驗箱作為實驗溫度控制裝置,得到28mm和40mm兩組感壓元件的溫度一電容,關(guān)系曲線如圖5,圖6所示.溫度測試試驗表明:兩組感壓元件的測試電容,參考電容的電容一溫度曲線幾乎平行,斜率很相近,且很平

11、滑在后端電路處理時,取其差值信號作為輸出,溫度影響就可以相互抵消,具有較好的溫度自補(bǔ)償能力.溫度主要影響感壓元件的幾何尺寸,溫度變化使電容極板間的間隙或極板面積發(fā)生變化.由于兩極板間的間隙非常小,只要很小的間隙變化就會引起很大的溫度誤差,由于和性質(zhì)完全相同且置于同一溫度場中,當(dāng)測量環(huán)境溫度變化時和產(chǎn)生相同的電容值變化,差值輸出后起了一定的溫度補(bǔ)償作用.五,結(jié)論雙電容厚膜陶瓷感壓元件是一種干式空氣介質(zhì)的電容器,由于空氣的介電常數(shù)隨溫度變化量極小,因而同以往的壓力傳感器相比其溫度漂移小;再設(shè)計了雙電容結(jié)構(gòu),同一溫度對測試電容和參考電容所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是一致的,溫度影響可以相互抵消,兩電容差值輸出時

12、,大大減小了溫度引起的測量誤差,起到了溫度自補(bǔ)償作用.壓力測試也表明:該感壓元件具有較低的非線性誤差和遲滯誤差.感壓元件電極間間隙通過絲網(wǎng)印刷的玻璃粘結(jié)層厚度來控制的,通過反復(fù)工藝實驗可以有效地控制電極間隙,使得感壓元件的初始電容量,電容變化量和非線性都能滿足后續(xù)信號處理要求,為厚膜電容式壓力傳感器集成化奠定基礎(chǔ).s&Development參考文獻(xiàn):【l】ChangSung-pil,MarkGDemonstrationforintegrationicapacitivepressuresensorswithreand-outcircuitryonstainlesssteelsubstrateJ.

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15、redesign,basicworkinglprinciple,fabricationtechniqueandperformancetestofthickfilmceramiccapacitivepressuresensorweredescribedindetail.Experimentalresultsindicatethatthelsensorhasmanymeritssuchas:thenon-linearityerrorandhysteresiserrorarewithin1.0%and0.5%respectively.1Bothtemperaturecoefficientandtestcapacityvaluesarelidentica1.1Keywords:thickf