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1、厚膜陶瓷电容式压力传感器的设计与制备arch&Development开发电勰设计与制备成写雷注:安徽省科技攻关项目资助(批准号:040120503)摘要:结合厚膜技术,陶瓷技术研制了双电容结构的压力传感器,详细阐述了厚膜陶瓷电容式压力传感器的结构设计,工作原理,制备方法,测试结果.试验结果表明:研制的传感器工作稳定,测量精确,非线形误差低于1.O%,迟滞误差小于0.5%,测试电容和参考电容温度系数几乎一致.关键词:厚膜;电容式;压力传感器中图分类号:TP212.12文献标识码:A文章编号:1006-883X(2006)12一∞12-0004李鹏李民强一,前言现代工业中压力传感器有着极
2、其广泛的用途,例如测量压力,液位,物质成分比等,具有广大的市场前景.厚膜陶瓷电容式压力传感器是利用电容变间隙式原理,采用厚膜传感技术和厚膜混合集成技术相结合,运用零力学滞后的陶瓷技术研制而成的非充液空气介质的传感器,同以往的压力传感器相比,具有较好的稳定性和重复性,精度高,温度漂移小,抗干扰能力强,结构简单,电容温度系数小,抗过载,耐腐蚀,蠕变和迟滞小,适用范围广等优点,成为具有良好应用前途的感压元件.厚膜陶瓷电容式压力传感器作为感压元件是获取工业现场信号的重要装置,为后端信号处理电路提供了检测数据,是决定智能压力变送器性能的关键部件,影响着变送器的响应速度和稳定性等.本文讲述了厚膜陶瓷电容
3、式压力传感器的双电容结构及其内部工作原理,对结构模型进行了推导计算,得到了参考电容和测量电容随压力变化的理论公式,给出了在实际生产中的厚膜工艺,最后分析产品(直径为28mm和40mm的感压元件)的测试结果,并给出总结.二,结构原理与推导计算1,结构设计与工作原理电容式压力传感器是使用变隙式工作原理制成的感压元件,其结构如图1所示.盖板和膜片均为陶瓷制品(其主要化学成分为AIO),通过厚膜丝网印刷工艺将钯银电极浆料(Pd.Ag电极)印制在盖板和膜片上;利用环形低温玻璃将陶瓷盖板和弹性膜片电极粘接成一体,经烘干和高温烧结便形成了传薯嚣世界2006.12l0jlI21:粘接玻璃层2:陶瓷盖板3:参
4、考电极引线4:软性电路板5:测量电极引线6:测量电极7:公共电极引线8:参考电极9:通气孔10:二氧化硅绝缘膜ll:公共电极l2:陶瓷弹性膜片图1电容式压力传感器结构图一个非充液空气介质的电容器,其电容量由电容面积和两极间的间隙决定.电极初始间隙由烧结的玻璃体控制,当感压元件的弹性膜片受到外加压力时,弹性膜片产生形变,使两电极间隙减小,引起感压元件电容量的变化,电容的变化量与压力大小成比例.由于陶瓷膜片边缘固定在陶瓷基座上,周边支撑,受力时中间形变大,边缘形变小,电容量输出具有非线性且其灵敏度较低.为减少温度影响和边缘效应,设计时在陶瓷膜片上设置一圆形的单电极作为公共电极,陶瓷盖板上设置双电
5、极并使两电极面积相等,构成同轴环状的双电容感压元件结构.中心为测量电容C.,边缘环形为参考电容C,C的外侧是固支边.所研制的厚膜版图,设测量电极半径R.,参考电极内半径R2,参考电极外半径R3,则应满足R3.R22=Rl,即测量电极与参考电极面积相等,也使测试电容和参考电容的初始容值相等,同时R2比Rl大0,5cm以上,以减小测量电容和参考电容之间的干扰.双电容结构大大减小了传感器系统的非线性误差,同时在环境温度变化时,由于两电容感受同一温度的变化,温度对它们所产生的温度效应是一致的,差分输出时消去了温度影响,这就减小了因温度引起的测量误差,起到了温度自补偿作用.研制了膜片直径为28mm和4
6、0mm两种感压元件,图2为40mm双电容感压元件的电极网版设计图.电极板粘接时C对C作为公共电极引出端,A对A作为测量电容引出端,B对B作为参考电容引出端,通过粘接密封网版将上下电极边缘印刷玻璃粘接.2,推导计算由物理学可知,电容器的电容量是构成电容器的两个极板形状,大小,相互位置及电介质介电常数的函数.以最简单的平板单电容器为例,当不考虑边缘电场影响,在零压时其初始电容量为:■爨蕊OevelopmentCo:—II'E—OC-rR2(?1)一———■一,其中,一真空介电常数,s0=8.854×10mF/cm:品一极板间介质的相对介电常数,介质腔为空气,0≈1;一电容极板间的初始间隙,单位m
7、;一电极半径,单位m.对弹性膜片施加压力P时,则距膜片中心为r处受压其极距间隙变化量(挠度)为::Gzf其中,一挠度,单位:m;c广泊松比,0.3:E一扬氏弹性模量,单位:N/m;P一压力,单位:N;卜弹性膜片厚度,单位:m;口__弹性膜片半径,单位:m.可见受载后弹性膜片发生挠曲,由于电容量的可加性,若电极半径为R,则总电容量为各挠曲微元电容的积分:c=器do.r.=盟do㈣一1一旦'挠度不会超过电容初始间
