CN115790954A - 电容式压力芯体 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种电容式压力芯体，涉及压力传感器技术领域，以在一定程度上优化电容式压力芯体结构，提高测压量程和过载能力。本发明提供的电容式压力芯体,包括基座、可动电极组件、封接件、基板、固定电极组件以及连通反馈组件；基座由金属材料制成，基座的一侧形成有弹性膜片，基座的另一侧，且沿基座的厚度方向形成有延伸至弹性膜片的引压部；可动电极组件设置于弹性膜片背离引压部的一侧，封接件的两端分别与基板和可动电极组件相连接，并形成安装腔，固定电极组件与基板的一侧相连接，且位于安装腔内；连通反馈组件分别与可动电极组件和固定电极组件线路连接，且位于基板背离安装腔的一侧。

Description

电容式压力芯体

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其是涉及一种电容式压力芯体。

背景技术

电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，它一般采用圆形感压膜片作为电容器的可动电极，当膜片感受压力而变形时，膜片与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

随着低温玻璃封接技术、陶瓷技术和厚膜丝网技术的发展，出现了一种基于陶瓷电容技术的陶瓷电容压力传感器，其采用固定式陶瓷基座和可动陶瓷膜片结构，可动膜片通过玻璃浆料等方式与基座密封固定在一起。两者之间内侧印刷电极图形，从而形成一个可变电容，当膜片上所承受的介质压力变化时两者之间的电容量随之发生变化，通过调理芯片将该信号进行转换调理后输出给后级使用。

陶瓷电容式压力传感器采用陶瓷膜片作为敏感元件，具有极高的抗腐蚀性能、弹性好、迟滞蠕变小，受温度影响小，且结构简单、功耗低、抗过载能力强、耐振动、耐辐射等特点，市场应用前景广泛，但陶瓷为脆性材料，不能进行精加工，同时强度不高、韧性差，只能应用在压力量程不超过10Mpa和过载能力小的场合。

因此，急需提供一种电容式压力芯体以在一定程度上解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式压力芯体，以在一定程度上优化电容式压力芯体结构，提高测压量程和过载能力。

本发明提供的一种电容式压力芯体，包括基座、可动电极组件、封接件、基板、固定电极组件以及连通反馈组件；所述基座由金属材料制成，所述基座的一侧形成有弹性膜片，所述基座的另一侧，且沿所述基座的厚度方向形成有延伸至所述弹性膜片的引压部；所述可动电极组件设置于所述弹性膜片背离所述引压部的一侧，所述封接件的两端分别与所述基板和所述可动电极组件相连接，并形成安装腔，所述固定电极组件与所述基板的一侧相连接，且位于所述安装腔内；所述连通反馈组件分别与所述可动电极组件和所述固定电极组件线路连接，且位于所述基板背离所述安装腔的一侧。

其中，所述可动电极组件包括绝缘层、第一电极层以及保护层；所述绝缘层形成于所述基座背离所述引压部的一侧，所述第一电极层形成于所述绝缘层上，所述保护层覆盖于所述第一电极层上。

具体地，所述第一电极层包括感压部和第一连接部；所述保护层覆盖所述感压部，所述第一连接部远离所述感压部的一端形成有第一扩展部，所述第一扩展部用于与所述连通反馈组件相对接。

具体地，所述保护层通过厚膜丝网印刷工艺，由玻璃釉浆料印烧形成。

进一步地，所述固定电极组件与所述可动电极组件相对设置，且所述固定电极组件包括面积相同的测量电极层和参考电极层；所述参考电极层包括环状部和第二连接部，所述测量电极层包括中心部和第三连接部，所述中心部设置于所述环状部内，且所述环状部形成有敞口，所述第三连接部的一端由敞口伸出；所述第二连接部远离所述环状部的一端形成有第二扩展部，所述第三连接部远离所述中心部的一端均形成有第三扩展部，所述第二扩展部和所述第三扩展部均用于与所述连通反馈组件相对接。

进一步地，所述连通反馈组件包括第一引线、第二引线、第三引线以及信号调理板；所述信号调理板设置于所述基板背离所述安装腔的一侧，所述第一引线的一端与所述第一扩展部相连接，所述第一引线的另一端与所述信号调理板相连接，所述第二引线的一端与所述第二扩展部相连接，所述第二引线的另一端与所述信号调理板相连接，所述第三引线的一端与所述第三扩展部相连接，所述第三引线的另一端与所述信号调理板相连接。

更进一步地，所述连通反馈组件还包括AS I C芯片，所述AS I C芯片设置于所述信号调理板上，用于调理输出的电容信号。

其中，所述基板由陶瓷材料制成，且所述基板上开设有通气孔。

具体地，所述绝缘层由玻璃材料形成，所述封接件由低熔玻璃材料形成，所述封接件对应所述第一扩展部的位置形成有穿孔。

进一步地，所述弹性膜片的厚度小于所述基板的厚度。

相对于现有技术，本发明提供的电容式压力芯体具有以下优势：

本发明提供的电容式压力芯体，包括基座、可动电极组件、封接件、基板、固定电极组件以及连通反馈组件；基座由金属材料制成，基座的一侧形成有弹性膜片，基座的另一侧，且沿基座的厚度方向形成有延伸至弹性膜片的引压部；可动电极组件设置于弹性膜片背离引压部的一侧，封接件的两端分别与基板和可动电极组件相连接，并形成安装腔，固定电极组件与基板的一侧相连接，且位于安装腔内；连通反馈组件分别与可动电极组件和固定电极组件线路连接，且位于基板背离安装腔的一侧。

由此分析可知，通过金属材料制成的基座，可在实际应用时，可通过焊接等方式直接与压力接口相对接，从而与压力接口成为一体式接口，无需任何粘接胶及密封材料，避免因粘接胶强度差、老化以及密封材料泄漏等问题导致整体结构失效，进而能够在一定程度上保证整体压力芯体在高压环境下的密封性、过载能力以及可靠性。

并且，由于本申请提供的电容式压力芯体直接在基座上形成引压部和弹性膜片，因此，既能够提高测压量程以及过载能力，又能够使整体压力芯体适用于较为恶劣的环境工况中。

在实际作业时，液体进入引压部内对弹性膜片产生压力，弹性膜片在压力作用下产生形变，从而使可动电极组件与盖板上的固定电极组件之间的形成的电容量发生变化，进而产生压力测量信号，通过连通反馈组件进行反馈输出，实现对压力的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电容式压力芯体的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电容式压力芯体结构的剖视图；

图3为本发明实施例提供的电容式压力芯体中基座第一种实施方式的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电容式压力芯体中基座第二种实施方式的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电容式压力芯体中可动电极组件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电容式压力芯体中固定电极组件的结构示意图。

图中：1-基座；101-引压部；102-弹性膜片；103-螺纹接头；2-封接件；3-绝缘层；4-第一电极层；401-感压部；402-第一连接部；403-第一扩展部；5-保护层；6-测量电极层；601-中心部；602-第三连接部；603-第三扩展部；7-参考电极层；701-环状部；7011-敞口；702-第二连接部；703-第二扩展部；8-基板；801-通气孔；9-第一引线；10-第二引线；11-第三引线；12-信号调理板；13-AS I C芯片。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连通”、“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如在此所使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项中的任何一项和任何两项或更多项的任何组合。

为了易于描述，在这里可使用诸如“在……之上”、“上部”、“在……之下”和“下部”的空间关系术语，以描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间关系术语意图除了包含在附图中所描绘的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并非用于限制本公开。除非上下文另外清楚地指明，否则单数的形式也意图包括复数的形式。术语“包括”、“包含”和“具有”列举存在的所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可出现附图中所示的形状的变化。因此，这里所描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间出现的形状上的改变。

这里所描述的示例的特征可按照在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的各种方式进行组合。此外，尽管这里所描述的示例具有各种各样的构造，但是如在理解本申请的公开内容之后将显而易见的，其他构造是可能。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1-图3所示，本发明提供一种电容式压力芯体，包括基座1、可动电极组件、封接件2、基板8、固定电极组件以及连通反馈组件；基座1由金属材料制成，基座1的一侧形成有弹性膜片102，基座1的另一侧，且沿基座1的厚度方向形成有延伸至弹性膜片102的引压部101；可动电极组件设置于弹性膜片102背离引压部101的一侧，封接件2的两端分别与基板8和可动电极组件相连接，并形成安装腔，固定电极组件与基板8的一侧相连接，且位于安装腔内；连通反馈组件分别与可动电极组件和固定电极组件线路连接，且位于基板8背离安装腔的一侧。

相对于现有技术，本发明提供的电容式压力芯体具有以下优势：

本发明提供的电容式压力芯体，通过金属材料制成的基座1，可在实际应用时，可通过焊接等方式直接与压力接口相对接，从而与压力接口成为一体式接口，无需任何粘接胶及密封材料，避免因粘接胶强度差、老化以及密封材料泄漏等问题导致整体结构失效，进而能够在一定程度上保证整体压力芯体在高压环境下的密封性、过载能力以及可靠性。

并且，由于本申请提供的电容式压力芯体直接在基座1上形成引压部101和弹性膜片102，因此，既能够提高测压量程以及过载能力，又能够使整体压力芯体适用于较为恶劣的环境工况中。

在实际作业时，液体进入引压部101内对弹性膜片102产生压力，弹性膜片102在压力作用下产生形变，从而使可动电极组件与盖板上的固定电极组件之间的电极间隙减小，引起电容芯体的电容量产生变化，由于电容的变化量与压力大小成比例，因此，通过连通反馈组件转化成压力测量信号进行反馈输出，从而实现对压力的测量。

此处需要补充说明的是，优选地，本申请中的弹性膜片102的厚度小于基板8的厚度。但本申请中的弹性膜片102的厚度还可由测压范围决定，弹性膜片102的厚度越大，压力量程越大。

如图4所示，在一些实施方式中，本申请中的基座1还可加工成集弹性膜片102、引压部101以及螺纹接头103的一体化基座1，从而能够更加便于和压力接口相对接。

此处需要补充说明的是，本申请中基座1为不锈钢材料制成，且优选地，为17-4PH不锈钢。经过加工后直接形成上述的弹性膜片102和引压部101，且引压部101为引压槽，液体直接进入引压槽内与弹性膜片102的感压测相接触，并对弹性膜片102施加压力使其产生形变，实现对压力的测量。

此处需要进一步补充说明的是，由于本申请中可动电极组件需要设置在弹性膜片102的背压侧，因此，本申请中在形成可动电极组件前，需要在弹性膜片102的背压侧进行清洗及等离子处理等操作，以保证弹性膜片102背压侧的光洁度。

可以理解的是，如图2结合图5所示，本申请中可动电极组件包括绝缘层3、第一电极层4以及保护层5；绝缘层3形成于基座1背离引压部101的一侧，第一电极层4形成于绝缘层3上，保护层5覆盖于第一电极层4上。

优选地，本申请中的绝缘层3由玻璃材料形成，弹性膜片102的背压侧处理完成后，通过厚膜丝网印刷技术将绝缘玻璃浆料印刷到弹性膜片102上，之后经过烘干和高温烧结，形成上述的绝缘层3。

本申请中绝缘层3覆盖全部的弹性膜片102，封接件2形成于绝缘层3上，进一步优选地，本申请中的封接件2由低熔玻璃材料形成，且封接件2呈环状，封接件2对应第一扩展部403的位置形成有穿孔，通过穿孔能够使第一引线9与第一电极层4顺利连通。

可以理解的是，本申请中的封接件2通过烧结形成，且烧结温度低于580℃，通过封接件2既能够对基板8上的固定电极组件和弹性膜片102上的第一电极层4进行保护，又能够通过烧结与基板8和基座1之间形成一体式结构，提高芯体的稳定性。

可选地，如图5所示，本申请中第一电极层4包括感压部401和第一连接部402；保护层5覆盖感压部401，第一连接部402远离感压部401的一端形成有第一扩展部403，第一扩展部403用于与连通反馈组件相对接。

本申请中的第一扩展部403的直径大于第一连接部402的宽度，从而能够便于与连通反馈组件，即下述的第一引线9的一端相连接。

此处需要补充说明的是，本申请中第一电极层4由导体浆料通过厚膜丝网印刷工艺烧结形成在绝缘层3上。

相应地，本申请中的保护层5通过厚膜丝网印刷工艺，由玻璃釉浆料印烧形成，且本申请中保护层5主要覆盖第一电极层4的感压部401。

如图2结合图6所示，本申请中固定电极组件与可动电极组件相对设置，且固定电极组件包括面积相同的测量电极层6和参考电极层7；参考电极层7包括环状部701和第二连接部702，测量电极层6包括中心部601和第三连接部602，中心部601设置于环状部701内，且环状部701形成有敞口7011，第三连接部602的一端由敞口7011伸出；第二连接部702远离环状部701的一端形成有第二扩展部703，第三连接部602远离中心部601的一端均形成有第三扩展部603，第二扩展部703和第三扩展部603均用于与连通反馈组件相对接。

本申请中的基板8由陶瓷材料制成，且优选地，为氧化铝陶瓷。在一些实施方式中，本申请中的基板8上不开设通气孔801，在此种方式中，基座1和基板8在真空环境中进行高温烧结，形成内部为真空介质的电容式压力芯体，此种压力芯体可用于测量绝对压力。

如图1结合图2所示，在图示的实施方式中，本申请中的基板8上开设有通气孔801，通气孔801能够连通压力芯体的内部与外界大气相连通，因此，此种压力芯体可用于测量表压。

本申请中的测量电极层6和参考电极层7均由导体浆料通过厚膜丝网印刷工艺烧结到基板8上，且由于本申请中的参考电极层7包括环形部，因此，能够形成环状的双电容结构的基本电极，从而能够在一定程度上减少芯体输出的非线性和温度引起的测量误差，起到了温度自补偿作用。

进一步优选地，本申请中的参考电极层7和测量电极层6的面积相同，从而能够使测试电容和参考电容的初始容值相等，并且，温度对参考电极层7和测量电极层6产生的温度效应是一致的，差分电容减少了温度的影响和非线性误差。

如图6所示，本申请中参考电极层7形成的第二扩展部703的直径大于第二连接部702的宽度，测量电极层6形成的第三扩展部603的直径大于第三连接部602的宽度，从而能够便于第二引线10和第三引线11的连接。

可以理解的是，如图1结合图2所示，本申请中的连通反馈组件包括第一引线9、第二引线10、第三引线11以及信号调理板12；信号调理板12设置于基板8背离安装腔的一侧，第一引线9的一端与第一扩展部403相连接，另一端与信号调理板12相连接，第二引线10的一端与第二扩展部703相连接，另一端与信号调理板12相连接，第三引线11的一端与第三扩展部603相连接，另一端与信号调理板12相连接。

本申请中的信号调理板12通过粘接与基板8背离固定电极组件的一侧相连接，通过第一引线9、第二引线10以及第三引线11能够将参考电极层7、测量电极层6以及第一电极层4直接与信号调理板12相连接，从而能够减少引线长度，降低了引线电容和寄生电容。

优选地，如图1结合图2所示，本申请中的连通反馈组件还包括AS I C芯片13，AS IC芯片13设置于信号调理板12上，用于调理输出的电容信号。

可以理解的是，本申请中的AS I C芯片13能够接收电容信号，经过调理后输出与被测介质压力成正比的电流或电压信号，以完成对压力的测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式压力芯体，其特征在于，包括基座、可动电极组件、封接件、基板、固定电极组件以及连通反馈组件；

所述基座由金属材料制成，所述基座的一侧形成有弹性膜片，所述基座的另一侧，且沿所述基座的厚度方向形成有延伸至所述弹性膜片的引压部；

所述可动电极组件设置于所述弹性膜片背离所述引压部的一侧，所述封接件的两端分别与所述基板和所述可动电极组件相连接，并形成安装腔，所述固定电极组件与所述基板的一侧相连接，且位于所述安装腔内；

所述连通反馈组件分别与所述可动电极组件和所述固定电极组件线路连接，且位于所述基板背离所述安装腔的一侧。

2.根据权利要求1所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述可动电极组件包括绝缘层、第一电极层以及保护层；

所述绝缘层形成于所述基座背离所述引压部的一侧，所述第一电极层形成于所述绝缘层上，所述保护层覆盖于所述第一电极层上。

3.根据权利要求2所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述第一电极层包括感压部和第一连接部；

所述保护层覆盖所述感压部，所述第一连接部远离所述感压部的一端形成有第一扩展部，所述第一扩展部用于与所述连通反馈组件相对接。

4.根据权利要求2所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述保护层通过厚膜丝网印刷工艺，由玻璃釉浆料印烧形成。

5.根据权利要求3所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述固定电极组件与所述可动电极组件相对设置，且所述固定电极组件包括面积相同的测量电极层和参考电极层；

所述参考电极层包括环状部和第二连接部，所述测量电极层包括中心部和第三连接部，所述中心部设置于所述环状部内，且所述环状部形成有敞口，所述第三连接部的一端由敞口伸出；

所述第二连接部远离所述环状部的一端形成有第二扩展部，所述第三连接部远离所述中心部的一端均形成有第三扩展部，所述第二扩展部和所述第三扩展部均用于与所述连通反馈组件相对接。

6.根据权利要求5所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述连通反馈组件包括第一引线、第二引线、第三引线以及信号调理板；

所述信号调理板设置于所述基板背离所述安装腔的一侧，所述第一引线的一端与所述第一扩展部相连接，所述第一引线的另一端与所述信号调理板相连接，所述第二引线的一端与所述第二扩展部相连接，所述第二引线的另一端与所述信号调理板相连接，所述第三引线的一端与所述第三扩展部相连接，所述第三引线的另一端与所述信号调理板相连接。

7.根据权利要求6所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述连通反馈组件还包括ASIC芯片，所述ASIC芯片设置于所述信号调理板上，用于调理输出的电容信号。

8.根据权利要求1所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述基板由陶瓷材料制成，且所述基板上开设有通气孔。

9.根据权利要求3所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述绝缘层由玻璃材料形成，所述封接件由低熔玻璃材料形成，所述封接件对应所述第一扩展部的位置形成有穿孔。

10.根据权利要求1所述的电容式压力芯体，其特征在于，所述弹性膜片的厚度小于所述基板的厚度。

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