陶瓷電容式壓力變送器及製作工藝的製作方法

2023-08-22 08:06:16

專利名稱：陶瓷電容式壓力變送器及製作工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及的陶瓷電容式壓力變送器及製作工藝，屬基本電氣元件的結構、製作工藝及把電容器受的壓力信號轉換成電壓信號的電路變送器。
現有的電容式壓力變送器，中介質為液體、容易滲漏，造成壓力測量不準，溫度漂移大，過壓衝擊差，抗幹擾能力差，適用範圍小，安裝維修不便。
本發明的目的旨在改進上述不足，提供一種利用陶瓷膜片上鍍上一層金屬膜，與陶瓷基座的金屬膜形成一定間隙，則構成一定容量的電容器，當陶瓷膜片受壓力時，將引起微小的彈性撓曲變形，造成兩極板間隙的減小，使電容量增加，設計成厚膜集成混合電路用厚膜電路技術集成固化在陶瓷基片上，粘結在陶瓷基座上，利用電容量的增量與其感受壓力成正比關係，把電容信號轉換成電壓信號，放大後輸出傳送到配套的顯示電路上的陶瓷電容式壓力變送器及製造工藝。
為了達到上述目的，陶瓷電容式壓力變送器是由陶瓷電容式壓力傳感器與厚膜集成混合電路組成，陶瓷電容式壓力傳感器具有陶瓷基座2、陶瓷膜片11，厚膜集成混合電路由集成電路晶片IC和電阻、電容組成的厚膜混合電路構成，其特點是在陶瓷基座2的A-A表面上的中間設平整圓面6(電容極板6)，在平整圓面6的外環上設開口圓環8(電容極板8)，在陶瓷膜片11的B-B面設一層金質膜10(電容極板10)，為了防止陶瓷膜片11受到大壓力時電容器極板短路，在電容極板8、6、10(開口圓環8、平整圓面6、金質膜10)上設一層二氧化矽薄膜，為了支撐電容器極板10和極板8、6間的間隙，在陶瓷基座2的A-A表面與陶瓷膜片11的B-B表面之間的外環上設圓環臺階1，圓環臺階1的高度為0.01-0.008mm為好，圓環臺階1的高度恰是電容器極板10與極板8、6之間的間隙d，在電容器三個極板10、6、8引出三根引線7、5、3，在陶瓷基座2上預先開出三個孔，通過三孔將引線7、5、3引出，這樣便構成了一個測量電容器和基準電容器組合的陶瓷電容式壓力傳感器，用此測得的壓力為絕對壓力，若要測量表壓則要在陶瓷基座2上設一個通氣孔9。此孔將電容器間隙d與大氣相通。為了將電容信號轉換成電壓信號，在陶瓷基座2上表面設陶瓷基片4，並將測量電容Cp和基準電容器Cnf的三根引線5、3、7接到厚膜集成混合電路的輸入端，即接入集成電路IC的④、③腳上，公共極板7與地線相連。此時已將陶瓷電容式壓力傳感器和厚膜集成混合電路組成一個完整的陶瓷電容式壓力變送器(如圖6所示)。厚膜集成混合電路主要由集成電路晶片IC和電阻、電容組成的厚膜電路，其中IC晶片內含有一個50KHz的脈衝振蕩器，電壓放大器和溫度補償電路。陶瓷電容式壓力變送器傳感器電容量的變化將會引起厚膜集成混合電路中電信號的相應變化，其工作原理通過圖7說明，厚膜集成混合電路中的脈衝振蕩器提供基礎信號，脈衝振蕩器產生的50KHz振蕩脈衝信號電壓經外接厚膜電路中的C2、C4，二極體D1、D4加到陶瓷電容式壓力傳感器5、7(Cp)和3、7(Cnf)上，當振蕩電壓為高電平時，有兩條充電迴路，一路為IC⑧腳→C2→IC⑦腳→D3→IC③腳→Cnf，另一路為IC⑧腳→C4→IC⑨腳→D2→IC④腳→Cp，放電迴路也有兩條，一路為Cp→D4→C2→信號源E，另一路是Cnf→D1→C4→信號源E。當陶瓷電容式壓力傳感器的陶瓷膜片11未受力時，Cp＝Cnf，ΔC＝0，當受力時，Cp＞Cnf，ΔC＝Cp－Cnf＞0，受力越大ΔC＝Cp－Cnf也越大，由於充、放電路的不同，在電容器C2上有一個累積電荷ΔQ，ΔQ與ΔC成正比，由累積電荷ΔQ的作用，經電容C5、電阻R01的濾波作用，在IC腳上得到一個與ΔC成正比的直流電壓V11，V11經運算放大器放大後由集成電路晶片腳輸出並通過壓力變送器的信號輸出端14傳送顯示電路，即完成壓力P→電容ΔC→電壓V的轉換。集成電路晶片IC⑩腳處提供一個3V的恆壓源，經R5給運算放大器反相輸入端提供一個偏置電壓，另一路經R6、R7、R8給二極體D1、D2提供一個偏置電壓，調整電阻R6、R7的阻值將影響IC⑨腳上的電壓，使C2上的累積電荷發生變化，IC⑨腳上電壓升高時，C2上的累積電荷增加，IC腳電平升高，從而達到調整修正之目的。
為了達到上述目的，陶瓷電容式壓力變送器的製作工藝是這樣實現的，由陶瓷電容式壓力傳感器製作工藝、厚膜集成混合電路製作工藝組成，為了保證陶瓷膜片11和陶瓷基座2的緻密性、均勻性和一致性，並具有良好的絕緣性，選用純度為96％氧化鋁粉原料，對原料必須進行預先處理和充分球磨，使氧化鋁粉粒度均在0.5um以下，要求陶瓷材料氣孔率儘量小，因此需採用靜水壓成型，熱壓通氧燒成，將待燒結的坯料初型分別裝入陶瓷膜片11、陶瓷基座2的熱壓膜內加溫燒成，其特點是待加溫到1100℃坯料開始緻密化，故在此溫度下逐步加壓，當其溫度達到最終溫度1500℃時，壓力也達到最大壓力100-200kg/cm2，在1500℃下保溫1-2小時，然後去掉壓力降溫到850℃，保溫處理2小時，最後把燒成的陶瓷膜片11、陶瓷基座2在磨床上精密加工表面拋光而成，表面要平整光潔特別是陶瓷膜片的厚度尺寸要嚴格達到精度要求，這樣做的目的使其具有優良的彈性模量達到一定量程的規格標準。然後在陶瓷基座2的A-A表面上(圖1、圖4所示)用絲網印製一層均勻平整圓面6(電容極板6)、開口圓環8(電容極板8)的金質膜並在800℃燒結牢固，這樣便分別形成測量電容器6和基準電容器8的兩個極板，在陶瓷膜片11的B-B面上用絲網印製一層均勻平整金質膜10(電容極板10)，這就構成以金質膜10為公共極板的測量電容器6(圖7中的Cp)和基準電容器8(圖7中的Cnf)，為了保護金質膜8、6、10，又在其上沉積一層二氧化矽薄膜，在600℃下燒結固化，燒結時間為50-70分鐘，固化時間為50-70分鐘，這層二氧化矽薄膜在陶瓷膜片11受到過大壓力時，它起到防止電容器極板短路，使其能承受數倍甚至上百倍的過壓以至承受衝擊壓力，電容器極板10和電容器極板8、6間的間隙是由圓環臺階1支撐形成，此間隙的大小對電容器的容量和感器性能的影響極大需特殊工藝保證，採用小於0.008mm粒度的玻璃微粉配合粘結劑、固化劑，經絲網印製圓環臺階1並用定位工裝精心控制間隙尺寸。間隙的大小一般控制在0.01-0.008mm，另外電容器的三個極板8、6、10的引出線3、5、7用導電膠連接，通過陶瓷基座2上預先開出的三個孔引出，並將開口密封。這樣便構成了一個由測量電容器和基準電容器組合的陶瓷電容式壓力傳感器，用此測得的壓力為絕對壓力，若要測量表壓則要在陶瓷基座2上再開一個通氣孔9，此孔將電容器間隙與大氣相通，然後將陶瓷基片4用粘結劑粘結在陶瓷電容式壓力傳感器的陶瓷基座2上表面，陶瓷基片4是將集成電路晶片IC、部分電容、電阻元件用厚膜電路技術集成固化在陶瓷基片4上，此時已將陶瓷電容式壓力傳感器和厚膜集成混合電路組裝成一個完整的陶瓷電容式壓力變送器。
陶瓷電容式壓力傳感器的基本原理在陶瓷膜片11和陶瓷基座2形成的測量電容器Cp(引線5兩端，也是電容器6)、基準電容器Cnf(引線3兩端，也是電容器8)，見圖7，在靜態時(不受力時)Cp＝Cnf(由製造工藝保證)，其差值ΔC＝Cp－Cnf＝0，當陶瓷膜片11受力時，則陶瓷膜片11產生彈性變形(如圖5所示)，電容器極板間的間隙d(平均值)受壓力而減小，中心變形最大，其間隙減小最甚，而在周邊位置其間隙減小甚微，與此相對應電容器Cp在中心位置電容增大，電容器Cnf在周邊位置，電容量增加不大，此時電容差為ΔC＝Cp－Cnf隨著陶瓷膜片11受壓力的增加，ΔC＝Cp－Cnf，其容差也相應增大，在陶瓷膜片的彈性變化範圍大，其壓力和容差ΔC之間的變化關係是接近線性的，這就是利用陶瓷電容來測量壓力的理論基礎，採用測量電容器和基準電容器二個容差的道理就在於提高測量的精度和穩定性。
厚膜集成混合電路的應用原理用陶瓷電容式壓力傳感器來檢測壓力具有很好穩定性和較高的線性精度，但由於電容量變化較小，全量程也只有幾十個微微法，因此，對微弱信號的搜集、變換、傳輸採用了脈衝調製和厚膜電路技術，將電容ΔC的變化信號轉換為電壓信號輸出，實現了對壓力的測量顯示。
本發明採用了先進電子陶瓷技術，無中介液的乾式壓力測量技術、厚膜電子技術、表面安裝技術、脈衝頻率信號調製傳輸技術，它與目前使用的電容式壓力變送器比較有兩個顯著不同的技術特點，一是測量元件採用新興的陶瓷材料，二是測量元件內無中介液體，是完全固體的，因而該發明獲得了優越的技術性能，經試用檢測，其主要技術特性如下(1)、抗過載抗衝擊能力強，過壓可達量程的數倍甚至百倍。甚至用硬物敲打測量元件也不致其損壞，且對測量精度毫無影響。
(2)、穩定性高，每年優於0.1％滿量程。這個技術指標比其它電容式壓力變送器要高出數倍。
(3)、溫度漂移小，由於採用了低漂移集成晶片和取消了壓力測量元件中的介液，因而傳感器不僅獲得了很高測量精度，且受溫度梯度影響極小±0.15％/10℃，當溫度從-20℃變化到+70℃時，溫度變化的影響小於1％。
(4)抗幹擾能力強，本發明具有脈衝頻率調製(PFM)信號輸出。使其數位訊號傳送無須採用屏蔽導線，可達1000米距離，即使與動力電源線敷設在一起也不受幹擾影響。
(5)、適用性廣，本發明可製成多種型號，適應各種場合和介質。
(6)、安裝維修簡便，因為產品結構獨特，簡單合理，且體積小，重量輕，故無須支架，無須水平安裝，可直接、任意安裝在管路上，而不影響零點、測量精度。
本發明無論從結構、工藝、還是信號轉換，均能達到要求，是目前用在壓力液位測量的一種比較理想的陶瓷壓力變送器。


圖1是陶瓷電容式壓力變送器的結構示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是圖1的B-B剖視圖；圖4是圖1的A-A剖視圖；圖5是陶瓷電容式壓力傳感器受力結構變化示意圖；圖6為陶瓷電容式壓力變送器的原理示意圖；圖7是電容信號轉化為電信號的工作原理圖。
附面說明1圓環臺階，2陶瓷基座，3引線，4陶瓷基片，5引線，6圓面(電容極板6，也稱測量電容器6)，7引線，8開口圓環(電容極板8，也稱基準電容器8)，9通氣孔，10金質膜(電容極板10)，11陶瓷膜片，12電源正極，13接地端，14信號輸出端，IC集成電路晶片，①-IC腳，R1-68K、R2-40K、R3-136K、R4-可調電阻、R5-2.76K、R6-1K、R7-35K、R8-17K、R9-IC內部電阻、R01-28K、R02-28K、C1-0.01nF、C2-4.56nF、C3-IC內部電容、C4-4.9nF、C5-0.01nF、Cp測量電容器6、Cnf基準電容器8、D1-D4二極體、E信號源。
為了更好地理解與實施，下面以附圖為實例進一步說明如下陶瓷基座2、陶瓷膜片11採用純度為96％氧化鋁粉充分球磨，使微粉粒度在顯微鏡下觀察均在0.5um以下，要求陶瓷材料氣孔率儘量小，採用靜水壓力成型，加熟通氧燒成，將待燒結的坯料初型分別裝入陶瓷膜片11、陶瓷基座2的熱壓膜內加溫燒成，(在陶瓷基座2上提前預留3、5、7接線孔)，溫度從1100℃-1500℃變化，壓力逐步達到最大壓力100-200kg/cm2，在1500℃下保溫1-2小時，然後去掉壓力降溫到850℃，保溫處理2小時，把燒成的陶瓷膜片、陶瓷基座在磨床上精密加工表面拋光而成。然後在陶瓷基座2的A-A表面上用絲網印製一層均勻平整圓面6(形成極板6)和開口圓環8(形成極板8)的金質膜並在800℃燒結牢固，公共極板10在陶瓷膜片11的B-B面上用同一材料和工藝製成，然後在金質膜8、6、10上沉積、600℃燒結固化一層二氧化矽薄膜，燒結時間為50-70分鐘，固化時間為50-70分鐘，電容器極板10和極板8、6間的間隙由圓環臺階1支撐形成，採用小於0.008mm粒度的玻璃微粉，用粘結劑、固化劑攪合一起，用絲網印製圓環臺階1並用定位工裝控制間隙尺寸，間隙的大小一般控制在0.01-0.008mm為好。用金屬引線將引線3、5、7與相應的電容極板8、6、10用導電膠連接並將開口密封，通過陶瓷基座2上預先開出的三個孔引出，這樣便構成了一個由測量電容器和基準電容器組合的陶瓷電容式壓力傳感器，用此測得的壓力為絕對壓力，若要測量表壓則要在陶瓷基座2上再開一個通氣孔9。為測量某一部位所受的壓力有多少，而又可直觀的反映在人們眼前，在陶瓷電容式壓力傳感器上增設陶瓷基片4，陶瓷基片4是由集成電路晶片IC連同電阻、電容組成的厚膜混合電路採用厚膜電路技術集成固化在陶瓷基片4上，採用粘結劑粘結在陶瓷電容式壓力傳感器的陶瓷基座2上表面，並將測量電容器和基準電容器的三個引線3、5、7連接到厚膜混合電路的輸入端，即3、5分別接入集成電路IC的③、④腳上，公共極板7與地線相連。在陶瓷基片4上引出電源正極12、接地端13、信號輸出端14，這樣由集成電路晶片IC和由電阻、電容、二極體組成的厚膜混合電路所構成的厚膜集成混合電路與陶瓷電容式壓力傳感器組裝成一個完整的陶瓷電容式壓力變送器。將集成電路晶片IC腳輸出，並通過信號輸出端14傳送到配套顯示電路上即可。
陶瓷電容式壓力傳感器的製造不可能沒有誤差，也不可能是絕對線性的，這樣就存在一個與厚膜混合電路的匹配問題，線性的補償問題，此問題解決則是靠厚膜電路技術來實現，具體就是靠厚膜電路雷射功能調阻技術來達到。其調整方法簡要說明如下陶瓷電容式壓力傳感器和厚膜混合電路連接後(如圖6所示)，首先遇到的是調零點，即當傳感器未施加壓力時，變送器信號輸出端14應是0.4V，如果不是0.4V就須用雷射調阻設備精確的修正電阻R7、R6、R2使IC腳輸出，符合要求的電壓0.4V；另一個就是滿刻度值的調整，當傳感器承受滿量程壓力時，變送器輸出電壓應為4.5V，如果不是此值則須用雷射調整電阻R4以改變運算放大器的放大倍數，使IC腳輸出電壓為規定的4.5V，這就是雷射調整的基本方法，當需測量某一部位的壓力值時，把陶瓷電容式壓力變送器放到此位置，將信號輸出端14與地線13用傳輸線接到配套顯示電路上，可直接顯示出所測的壓力。
權利要求
1.一種陶瓷電容式壓力變送器，是由陶瓷電容式壓力傳感器與厚膜集成混合電路組成，陶瓷電容式壓力傳感器具有陶瓷基座(2)、陶瓷膜片(11)，厚膜集成混合電路由集成電路晶片(IC)和電阻、電容組成的厚膜混合電路構成，其特徵是在陶瓷基座(2)的A-A表面上的中間設電容極板(6)，在電容極板(6)的外環上設電容極板(8)，在陶瓷膜片(11)的B-B面設電容極板(10)，在電容極板(8)、電容極板(6)、電容極板(10)上設一層二氧化矽薄膜，在陶瓷基座(2)的A-A表面與陶瓷膜片(11)的B-B表面之間的外環上設圓環臺階(1)，在電容器三個極板(10、6、8)引出三根引線(7、5、3)，三根引線(7、5、3)通過陶瓷基座(2)上預先開的孔引出，在陶瓷基座(2)上設通氣孔(9)，通氣孔(9)與電容器間隙(d)與大氣相通，在陶瓷基座(2)上表面設陶瓷基片(4)，三根引線(5、3、7)接入集成電路(IC)的④、③腳及地線上。
2.按權利要求1所述的陶瓷電容式壓力變送器，其特徵是圓環臺階(1)的高度為0.01-0.008mm為好。
3.按權利要求1所述的陶瓷電容式壓力變送器，其特徵是厚膜集成混合電路有兩條充電迴路，一路為(IC)⑧腳→(C2)⑦腳→(D3)→(IC)③腳→(Cnf)，另一路為(IC)⑧腳→(C4)→(IC)⑨腳→(D2)→(IC)④腳→(Cp)，放電迴路有兩條，一路為(Cp)→(D4)→(C2)→信號源(E)，另一路為(Cnf)→(D1)→(C4)→信號源(E)。
4.一種製造權利要求1所述的陶瓷電容式壓力變送的製作工藝，由陶瓷電容式壓力傳感器製作工藝、厚膜集成混合電路製作工藝組成，先對原料進行處理和充分球磨，使氧化鋁粉粒度均在0.5um以下，採用靜水壓成型，熟壓通氧燒成，將待燒結的坯料初型分別裝入陶瓷膜片(11)、陶瓷基座(2)的熱壓膜內加溫燒成，其特徵是待加溫到1100℃時，逐步加壓，當其溫度達到最終溫度1500℃時，壓力也達到最大壓力100-200kg/cm2，在1500℃下保溫1-2小時，然後去掉壓力降溫到850℃，保溫處理2小時，最後把燒成的陶瓷膜片(11)、陶瓷基座(2)在磨床上精密加工表面拋光而成，然後在陶瓷基座(2)的A-A表面用絲網印製一層均勻平整圓面(6)、開口圓環(8)的金質膜並在800℃燒結牢固，在陶瓷膜片(11)的B-B面上用絲網印製一層均勻平整金質膜(10)，在金質膜(8、6、10)上沉積一層二氧化矽薄膜，在600℃下燒結固化，燒結時間為50-70分鐘，固化時間為50-70分鐘，然後採用小於0.008mm粒度的玻璃微粉配合粘結劑、固化劑，用絲網在電容器極板(10)和電容器極板(8、6)間印製圓環臺階(1)，用導電膠通過三根引線(3、5、7)分別連接在電容器三個極板(8、6、10)上，並在陶瓷基座(2)上開一個通氣孔(9)，然後將陶瓷基片(4)用粘結劑粘結在陶瓷基座(2)上表面。
5.按權利要求4所述的陶瓷電容式壓力變送器的製作工藝，其特徵是陶瓷基片(4)是將集成電路晶片(IC)、部分電容、電阻元件用厚膜電路技術集成固化在其上，然後在粘結在陶瓷基座(2)上表面。
全文摘要
本發明涉及的是一種陶瓷電容式壓力變送器及製作工藝，是由陶瓷電容式壓力傳感器與厚膜集成混合電路組成，在陶瓷基座2的A-A表面設電容極板6，電容極板8，在陶瓷膜片11的B-B表面設電容極板10，在電容極板10與8、6間設圓環臺階1，厚膜集成混合電路由集成電路晶片IC和電阻電容採用厚膜電路技術集成固化在陶瓷基片4上，然後粘結在陶瓷基座2的上表面，本發明是電容式壓力變送器的換代產品，是目前較為理想的壓力、液位測量裝置。
文檔編號G01L9/12GK1142049SQ9511057
公開日1997年2月5日 申請日期1995年7月28日 優先權日1995年7月28日
發明者孫祖彩, 羅挺前, 劉居勝 申請人:山東三鑫科技(集團)股份有限公司