一种新型电容式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于压力传感器领域,具体涉及一种新型电容式压力传感器及其制备方法,特别是双极板形变的压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器是工业领域中最为常见的一种传感器,其广泛应用在各种工业控制场合中,例如暖通空调、汽车工业、铁路交通、航天航空、石油化工、机床、液压管道等。按照工作原理的不同,压力传感器主要分为压阻式、电容式以及压电式等。
目前,压阻式压力传感器由于其制造工艺与半导体工艺兼容性高,制造工艺成熟,接口电路简单等优点,是目前压力传感器的主流技术。但是压阻式压力传感器却有着温度特性差,灵敏度低,功耗大等缺点,并不适合一些高可靠性、精度高的应用领域。
压电式压力传感器制造工艺复杂,温度系数大,使用及维护比较困难。
电容式压力传感器通常采用平板电容方式,将压力敏感膜作为电容一个电极,利用敏感膜感测压力时弹性形变引起电容间距发生变化,从而引起电容量变化的原理测量压力。常用的电容式压力传感器工作示意图如图1所示:
该压力电容由动极板41和定极板40组成,二者之间的距离为d,相对面积为S,电容介质3介电常数为ε,则电容的计算公式为:
当压力介质进入压力腔室作用到动极板41上,动极板受外力作用向上发生变形,引起两极板间距变小,则根据上述计算公式,电容C与d成反比,电容C相应地增大。
上述常用电容式压力传感器的基本特征可归纳为单极板形变,该特征的压力传感器制备工艺成熟,但存在以下不足:
(1)、该压力传感器的灵敏度取决于单个动极板的形变量,受电极板的制作工艺和材料限制,相应动极板的感测压力时的形变量无法做到足够大,因此传感器的灵敏度无法进一步提高;
(2)、为实现较高灵敏度,需要加大动极板的形变量,这就极大地增加了动极板的制作难度和制作成本,同时大的形变量容易导致电极破裂,降低了传感器整体的可靠性,极大缩短了传感器的寿命。
(3)、采用单极板形变的传感器体积普遍比较大,不符合目前传感器小型化的要求。
鉴于此,提供一种新型电容式压力传感器及其制备方法是本发明所要研究的课题。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种新型电容式压力传感器及其制备方法,以解决现有单极板形变电容压力传感器灵敏度低、可靠性差、体积大、以及制造成本低的不足。
为实现上述发明目的,本发明提供以下的技术方案:一种新型电容式压力传感器制备方法,
步骤1,将陶瓷粉或玻璃粉利用模具加压成型,并通过烧结制成基座;其中,所述基座包括两对称设置的半基座,以基座的轴向中心平面为基础,定义基座的左半边为左半基座,基座右半边为右半基座,所述左半基座和右半基座的结构、形状以及尺寸均相同,所述左半基座和右半基座均分为上下两段,其上段为内孔半圆柱结构,其下段为平板结构,在左半基座的平板结构上开设有左压力介质通孔,右半基座的平板结构上开设有右压力介质通孔,在左半基座的内孔半圆柱结构上开设有左加工通孔,右半基座的内孔半圆柱结构上开设有右加工通孔;
步骤2,利用两块面积相同的陶瓷板作为敏感片的基板,并且利用薄膜溅射工艺在每个基板上制备贵金属电极及电极引线;其中,所述敏感片两块面积相同的基板分别为左基板和右基板,所述左基板和右基板的内侧面上分别设有电极及电极引线,左基板和右基板上的两个电极为相对电极;
步骤3,在所述左基板和/或右基板上的电极及电极引线周边设有金属支撑墙,所述金属支撑墙厚度高于电极及电极引线厚度;
步骤4,将左基板和右基板的电极正对装配,并通过热压工艺将两个基板制备成一个完整的敏感片,此时,两个贵金属电极通过金属支撑墙隔开一定的间距;
步骤5,将所述基座和敏感片装配到一起,使敏感片的左基板上的电极位置正对左半基座上的左压力介质通孔,同时,使右基板上的电极位置正对右半基座上的右压力介质通孔;
步骤6,通过烧结工艺将所述敏感片与基座烧结成一体,形成新型电容式压力传感器。
进一步的,所述支撑墙采用薄膜工艺或厚膜工艺,其中,所述薄膜工艺为溅射、蒸镀或气相沉积工艺,所述厚膜工艺为丝印或电镀工艺。
进一步的,还包括外壳,所述外壳与基座上部的中空圆柱体通过烧结连接而成。
为实现上述发明目的,本发明提供以下的另一种技术方案:一种新型电容式压力传感器,包括基座和敏感片,基座包括两对称设置的半基座,以基座的轴向中心平面为基础,定义基座的左半边为左半基座,基座右半边为右半基座,所述左半基座和右半基座的结构、形状以及尺寸均相同,所述左半基座和右半基座均分为上下两段,其上段为内孔半圆柱结构,其下段为平板结构,在左半基座的平板结构上开设有左压力介质通孔,右半基座的平板结构上开设有右压力介质通孔,在左半基座的内孔半圆柱结构上开设有左加工通孔,右半基座的内孔半圆柱结构上开设有右加工通孔;
所述敏感片包括两个面积相同的基板,分别为左基板和右基板,所述左基板和右基板的内侧面上分别设有电极及电极引线,左基板和右基板上的两个电极为相对电极,在所述左基板和/或右基板上的电极及电极引线周边设有金属支撑墙,所述金属支撑墙厚度高于电极及电极引线厚度;
在装配状态下,左基板和右基板正对装配,左基板和右基板上的电极通过所述支撑墙隔开一间距,从而组成所述敏感片,所述左半基座和右半基座对合装配形成上段呈中空圆柱体、下段呈立方体的所述基座,所述敏感片夹设于左半基座和右半基座的平板结构处,所述左基板上的电极所在的位置正对所述左压力介质通孔,同时,所述右基板上的电极所在的位置正对所述右压力介质通孔。
进一步的,所述内孔半圆柱结构的上开设有加工通孔。
进一步的,所述电极形状为圆形或者方形。
进一步的,所述敏感片的基板采用陶瓷板,所述基座为陶瓷基座。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
(1)、本发明中,介质压力通过压力介质通孔作用到敏感片两侧陶瓷基板,基板发生形变,该形变同步传递到两个基板的电极上,两电极的间距d变小,则压力传感器的电容相应变大。该电容变化由两个电容极板同时形变产生,因此电容的变化量是单极板形变时变化量的2倍。在感测同一压力时,双极板形变电容式压力传感器的灵敏度是单极板形变的2倍。
(2)、本发明,相比单极板形变压力传感器,本发明所提供的电容式压力传感器因为具有较高的灵敏度,可以将感测相同压力时所需要的形变量缩小,从而提高了传感器的可靠性和工作寿命,减小了传感器的体积,实现了传感器的小型化。
(3)、本发明,采用通用的烧结、热压成型、模具成型等成熟工艺,制造工艺简单,极大地降低了压力传感器的制造成本。
附图说明
图1为现有技术公开的电容式压力传感器的剖视图;
图2为本发明公开的基座立体图
图3为本发明公开的基座***图;
图4为本发明公开的敏感片的侧视图;
图5为本发明公开的敏感片的立体图;
图6为本发明公开的新型电容式压力传感器的***图(一);
图7为本发明公开的新型电容式压力传感器的***图(一);
图8为本发明公开的新型电容式压力传感器的剖视图。
其中,1、基座;10、左半基座;101、左压力介质通孔;102、左加工通孔;11、右半基座;111、右压力介质通孔;112、右加工通孔;12、烧结面;13、压力介质通孔;2、敏感片;20、左基板;21、右基板;22、电极及电极引线;23、支撑墙;3、电容介质;40、定极板;41、动极板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下为用于说明本发明的一较佳实施例,但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图8,如其中的图例所示:
一种新型电容式压力传感器,包括基座1和敏感片2,所述基座1包括两对称设置的半基座,以基座1的轴向中心平面为基础,定义基座的左半边为左半基座10,基座右半边为右半基座11。
所述左半基座10和右半基座11的结构、形状以及尺寸均相同,所述左半基座10和右半基座11均分为上下两段,其上段为内孔半圆柱结构,其下段为平板结构。其中,左半基座10的平板结构上开设有左压力介质通孔101,右半基座11的平板结构上开设有右压力介质通孔111。本实施例中,在左半基座10的内孔半圆柱结构上开设有左加工通孔102,对应,在右半基座11的内孔半圆柱结构上开设有右加工通孔112。
所述敏感片2包括两个面积相同的陶瓷板作为基板,分别为左基板20和右基板21,所述左基板20和右基板21的内侧面上分别设有电极及电极引线,左基板20和右基板21上的两个电极为相对电极,组成了一个感测压力的电容,两个基板热压成一个完整的敏感片。在左基板20和/或右基板21上的电极及电极引线22周边设有金属支撑墙23,所述金属支撑墙厚度高于电极及电极引线22厚度。
在装配状态下,左基板20和右基板21正对装配,左基板20和右基板21上的电极及电极引线22通过所述金属支撑墙23隔开一间距,从而组成敏感片2,左半基座10和右半基座11对合装配形成上段呈中空圆柱体、下段呈立方体的基座1,所述敏感片2夹设于左半基座10和右半基座11的平板结构处,并通过烧结工艺将敏感片2与基座1烧结成一体,形成新型电容式压力传感器,其中,烧结材料选用陶瓷粉或者玻璃粉。此时,敏感片2的基板上的电极所在的位置正对基座1的平板结构上的压力介质通孔。
进一步地,还包括外壳,外壳与基座1上部的中空圆柱体通过烧结连接而成。在加工过程中,基座1上段的外圆柱表面为烧结面12,烧结面12与外壳配合后留有一定间隙,中间放置烧结材料,经过烧结后,该压力传感器与外壳组成压力模块,方便产品组装,其中,烧结材料为陶瓷粉或玻璃粉。通过烧结方式连接外壳和传感器,一方面避免了螺纹等装配方式减小了传感器体积,另一方面避免了使用O型圈密封,提高了传感器的可靠性和工作寿命。
本实施例中,采用以下步骤进行操作:
步骤1,将陶瓷粉或玻璃粉利用模具加压成型,并通过烧结制成基座1;其中,所述基座1包括两对称设置的半基座,基座1的左半边为左半基座10,基座1右半边为右半基座11,所述左半基座10和右半基座11的结构、形状以及尺寸均相同,所述左半基座10和右半基座11均分为上下两段,其上段为内孔半圆柱结构,其下段为平板结构,在左半基座10的平板结构上开设有左压力介质通孔101,右半基座11的平板结构上开设有右压力介质通孔111,在左半基座10的内孔半圆柱结构上开设有左加工通孔102,右半基座11的内孔半圆柱结构上开设有右加工通孔112。
步骤2,利用两块面积相同的陶瓷板作为敏感片2的基板,并且利用薄膜溅射工艺在每个基板上制备贵金属电极及电极引线22;其中,所述敏感片2两块面积相同的基板分别为左基板20和右基板21,所述左基板20和右基板21的内侧面上分别设有电极及电极引线22,左基板20和右基板21上的两个电极为相对电极,电极形状为圆形或者方形。
步骤3,在所述左基板20和/或右基板21上的电极及电极引线22周边设有金属支撑墙23,所述金属支撑墙23厚度高于电极及电极引线22厚度。
步骤4,将左基板20和右基板21的电极正对装配,并通过热压工艺将两个基板制备成一个完整的敏感片2,此时,两个贵金属电极通过金属支撑墙23隔开一定的间距。
步骤5,将所述基座1和敏感片2装配到一起,使敏感片2的左基板20上的电极位置正对左半基座10上的左压力介质通孔101,同时,使右半基板21上的电极位置正对右半基座11上的右压力介质通孔111。
步骤6,通过烧结工艺将所述敏感片2与基座1烧结成一体,形成新型电容式压力传感器。
进一步,所述金属支撑墙23采用薄膜工艺或厚膜工艺,其中,所述薄膜工艺为溅射、蒸镀或气相沉积工艺,所述厚膜工艺为丝印或电镀工艺。
以上实施例中,压力介质通孔采用双开孔,对应敏感片2为双极板形变电容敏感片,在左半基座10上开设有一左压力介质通孔101,同时在右半基座11上开设有一右压力介质通孔111,此时,敏感片2的左基板20上的电极所在的位置正对左半基座10上的左压力介质通孔101,同时,右基板21上的电极所在的位置正对右半基座11上的右压力介质通孔111。
介质压力通过左压力介质通孔101和右压力介质通孔111处作用到敏感片2两侧陶瓷基板,使基板发生形变,该形变同步传递到两个基板的电极上,两电极的间距d变小,则压力传感器的电容相应变大。该电容变化由两个电容极板同时形变产生,因此电容的变化量是单极板形变时变化量的2倍。因此,在感测同一压力时,双极板形变电容式压力传感器的灵敏度是单极板形变的2倍。
以上为对本发明实施例的描述,通过对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。