CN102928133B - 一种陶瓷电容式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷电容式压力传感器,涉及静电电容式压力传感器及其制造工艺。目前,静电电容式压力传感器是在两片陶瓷基板的表面分别设置平板电极,使两电极隔开一个微小的间隙平行相对,并将两片平行陶瓷基板固定为一体,构成一个平板电容器,通过测试压力下电容的变化,检测出压力的大小。极板间的距离决定电容的大小,从而影响压力检测的精度,因此必须精确控制电极间距离。本发明在两平板之间放置环状的低温共烧陶瓷生片(LTCC),然后将三者叠在一起,用夹具夹紧,在一定温度下烧结为一体,保证了极板间的精确距离和压力检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及静电电容式压力传感器及其制造工艺。
背景技术
目前,静电电容式压力传感器是在两片陶瓷基板的表面分别设置平板电极,使两电极隔开一个微小的间隙平行相对,并将两片平行陶瓷基板固定为一体,构成一个平板电容器。上述基板受到外部压力,在板厚方向会产生弹性弯曲,导致静电电容值变化,检测这一电容值的变化,即可得出上述基板所受的外部压力。
因为极板间的距离决定电容的大小,而初始电容决定于极板间初始距离,为保证检测精度均匀,必须精确控制电极间距离。为此有几种方法用于控制极板间隙。例如:在两个基板中间加入陶瓷小球或者树脂小球,以保证规定的电极间距,这些方法见特开平5-288623号或者特开平10-111206号。
又例如:特开平D-240500公报中发表了预先在极板间设置不连续的等高的间隔墩。然后在间隔墩***涂覆熔点低于间隔墩的熔结物,在适当温度下熔化熔结物,将两基板粘结在一起,可以精确控制极板距离,但有一个缺陷,熔结物在熔化时会从隔离墩之间流入另一侧,固化后导致支撑基极膜片的支点距离不均匀,难以获得均匀的检测精度。
再例如,中国专利03131277.2,针对上述间隔墩不连续造成支点不均匀的问题,在电极周围设置环状间隔墩,在间隔墩外侧设置熔点低于间隔墩的熔接物,从而保证支点间距离均匀一改
上述D-240500的方法,用小球解决间隔墩精度问题,但无法避免熔接物流动的问题,专利03131277.2的方法,要制作环状间隔墩,而环状间隔墩厚度的精确控制本身也是一个难题。
发明内容
为克服上述工艺缺陷,确保电极间的精确距离,本发明采用以下新的的工艺方法:
在两片基板相对面上设置规定的平板电极,在两平板之间放置环状的低温共烧陶瓷生片(LTCC),然后三者叠在一起,用夹具夹紧,再用热压或者热等静压的方法使之初步连接在一起,施加的压力为5~30Mpa,加热温度60~80℃,持续时间5~20分钟,然后将温度调升至450~550℃,保持60~90分钟,排除LTCC生陶瓷片中的有机溶剂,再升温到800~900℃,保温30~60分钟,使三者完全烧结在一起。
LTCC材料是由玻璃与陶瓷混合而成,添加增塑剂、粘合剂、分散剂、溶剂,通过流延方法可制成10~150微米厚度的LTCC生陶瓷薄膜带,采用20~50微米厚度的薄膜夹持在两层陶瓷基板中,经过800~900℃环境中烧结后,LTCC生陶瓷薄膜烧结成玻璃-陶瓷共熔体,其中的玻璃成分把上下平行基板熔接为一体,LTCC薄膜在基板的平面(X-Y)方向收缩受限,只能在Z方向收缩。Z方向收缩率可通过材料成份和工艺措施调整,一般在20%~30%范围,收缩率精度可控制在到3%以内,对于基板间距离的精度要求一般已经足够,可以获得很高的初始电容精度;同时X-Y方向因受陶瓷基板限制,收缩率在1%以内,接近零收缩,支点间距(即环形隔离墩的内径)不变,能获得很高的检测精度。
LTCC低温共烧陶瓷作为陶瓷基板之间的隔离和密封材料,既能保持电极间距离精度足够高,且隔离墩位置不会偏移,又能将上下两片陶瓷基板紧密连接为一体,保持密封,由此保证了压力检测精度均匀一致。
另外,由于LTCC薄膜片可以高精度地加工成任意大小形状或任意图形,可以制成基板面积的很小的小型静电电容式压力传感器。
附图说明:
附图1.a陶瓷盖板平面图
b陶瓷基板平面图
附图2.a陶瓷盖板剖视图
b陶瓷基板剖视图
c陶瓷电容式压力传感器剖视图
附图3.a陶瓷盖板平面图
b陶瓷基板平面图
c陶瓷电容式压力传感器剖视图1
附图标注:(1)陶瓷盖板(2)盖板电极(3)引线焊盘(4)环形隔离墩(5)基板电极(6)盖板电极焊盘(7)基板电极焊盘(8)环形电极焊盘(9)环形电极(10)陶瓷基板(11)盖板定位缺口(12)基板定位缺口(13)密封腔
具体实施方式:
如附图1.所示:图1a中,(1)为陶瓷盖板,它是两片陶瓷基板中较薄的一片,厚度只有0.2~1.2mm,压力传感器受到外部压力,主要是陶瓷盖板在板厚方向会产生弹性弯曲。圆形的陶瓷盖板表面用丝印或真空溅射的方法,制成一层0.2~0.6μm厚的金属电极,即盖板电极(2),电极(2)旁边连接引线焊盘(3)。陶瓷盖板(1)的边缘设有盖板定位缺口(11)。
图1b中,(10)为陶瓷基板,它是两片陶瓷基板中较厚的一片,厚度为3-6mm。圆形的陶瓷基板表面用同样的方法,制成一层0.2-0.6μm厚的金属电极,即基板电极(5),和围绕电极(5)的环形电极(9);基板电极(5)旁边连接基板电极焊盘(7);环形电极(9)连接着环形电极焊盘(8)。盖板电极焊盘(6)位于环形隔离墩(4)的外侧,也被陶瓷薄膜所包围,与盖板电极的引线焊盘(3)位置相对。
焊盘(6)、(7)、(8)都是通过金属化过孔连接的上下双焊盘,在焊盘(7)、(8)的上焊盘印刷阻焊剂,防止锡液流入,形成凸起。
环形隔离墩(4)围绕在环形电极(9)的外面,与环形电极同心,隔离墩的厚度为20~50μm,视压力传感器规格大小而定。陶瓷基板(10)的边缘设有基板定位缺口(12),使陶瓷盖板与陶瓷基板准确对位。
图2a所示为陶瓷盖板的剖视图,(1)为陶瓷盖板,下面与之紧贴的是盖板电极(2),盖板电极(2)与陶瓷盖板(1)同心。
图2b所示为陶瓷基板的剖视图,(10)为陶瓷基板,上面与之紧贴的是基板电极(5),基板电极与陶瓷基板同心;基板电极(5)连接着基板电极焊盘(7)。环形电极焊盘(8)连接着环形电极(9),环形电极(9)围绕在基板电极(5)的周围;环形隔离墩(4)围绕在环形电极(9)的周围,与环形电极(9)同心。
图2c所示为陶瓷压力传感器的剖视图,陶瓷盖板(1)通过环形隔离墩(4)与陶瓷基板(10)紧密连接在一起,形成密封的扁平空腔;盖板电极(2)与基板电极(5)、环形电极(9)隔着微小的间隙平行相对,形成对外部垂直压力敏感的静电电容。
图3a为陶瓷盖板,与图1a不同的是,图形逆时针旋转了90度,定位缺口(11)朝右。
图3b为陶瓷基板,与图1b不同的是,图形顺时针旋转了90度,定位缺口(12)朝右。
图3c所示为陶瓷压力传感器的剖视图1,与图2c所不同的是,剖面是通过定位缺口(11)、(12)和焊盘(3)、(6)的,由图3c中可见焊盘(6)与焊盘(3)之间的空隙被LTCC陶瓷薄膜所包围密封,形成密封腔(13),在此密封腔内灌注导电连接材料可以连接焊盘(6)和(3),且导电连接材料不会流到基板平面以外,避免电极短路。
Claims (5)
1.一种陶瓷电容式压力传感器,由相互平行的陶瓷盖板和陶瓷基板在相对的表面设置平板电极,陶瓷盖板和基板之间夹有环形的LTCC陶瓷薄膜制成的隔离墩,陶瓷盖板和基板以及隔离墩烧结在一起,其特征在于所述的陶瓷电容式压力传感器制作工艺为:在陶瓷盖板和陶瓷基板相对面上设置规定的平板电极,在陶瓷盖板和陶瓷基板之间放置环状的低温共烧陶瓷生片(LTCC),然后三者叠在一起,用夹具夹紧,再用热压或者热等静压的方法使之初步连接在一起,施加的压力为5~30Mpa,加热温度60~80℃,持续时间5~20分钟,然后将温度调升至450~550℃,保持60~90分钟,排除LTCC生陶瓷片中的有机溶剂,再升温到800~900℃,保温30~60分钟,使三者完全烧结在一起。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器,其特征在于:上述隔离墩薄膜的厚度为20~50微米,围绕在电极周围。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷电容式压力传感器,其特征在于:所述的隔离墩(4)围绕在环形电极(9)的外面,与环形电极同心。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷电容式压力传感器,其特征在于:陶瓷基板上的焊盘(6)与盖板电极的引线焊盘(3)位置相对,且被陶瓷薄膜所环绕,两焊盘之间的间隙被LTCC陶瓷薄膜所包围密封,灌封在此密封腔内的导电连接材料可以连接焊盘(6)与引线焊盘(3),又不会流到基板平面以外,防止相互短路。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷电容式压力传感器,其特征在于:上述平板电极的焊盘(6)、(7)、(8)都是采用金属化过孔连接的上下双焊盘,在焊盘(7)、(8)的上焊盘印刷阻焊剂,防止锡液流入,形成凸起。
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