一種厚膜力敏漿料及其製備方法
2023-05-22 01:31:26 1
專利名稱：一種厚膜力敏漿料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種應變式力敏傳感器用的漿料，特別涉及加工力敏傳感器應變電阻用的漿料，確切地說是一種低成本、高應變係數厚膜力敏傳感器用的漿料及其製備方法。
背景技術：
近年來作為信號檢測、信息獲取的傳感器技術日益受到國內外的高度重視，而且已成為當今電子信息技術發展最為迅速的學科之一。其中，力敏傳感器涉及到力、壓力、加速度、液位等多種物理量信息的感知、測試和轉換，是應用最廣、需求量和銷售量最大的傳感器品種。
目前，國內外力敏傳感器一直以電阻應變式為主，其中主要是金屬箔式、半導體矽壓阻式兩種。金屬箔式應變計靈敏度低、應變係數僅為2，採用應變膠粘貼，易受溫度、溼度等環境條件影響，並隨時間老化，產生零點漂移，遲滯增大，傳感器性能隨時間變化；半導體矽壓阻式應變係數高，然而因材料對溫度非常敏感，環境溫度影響大，工作溫度範圍窄(一般不超過60℃)，而且測量腐蝕性流體壓力需要隔離、結構複雜、成本高，使其應用受到限制。近年來，雖有薄膜應變式等新型力敏傳感器出現，但成本高、價格昂貴，難以滿足日益增長的石化、冶金、工業過程控制等需求。
據報導，國內外製作厚膜力敏傳感器的應變電阻漿料均採用商用厚膜電阻漿料。該商用厚膜電阻漿料(包括美國杜邦公司的厚膜電阻漿料)絕大多品種主要為厚膜混合集成電路配套，應變係數低，其應變係數GF(Gage Factor)，通常6～7左右。有的漿料從電路可靠性、穩定性考慮，甚至要求應變係數低。此狀況已不能適應厚膜力敏傳感器研究和產業化的需求。
發明內容
本厚膜力敏漿料是在基於氧化釕納米粉體的新型導電相和玻璃相的混合料中加入有機溶劑後調製得到的一種漿料。本漿料可按所設計的應變電阻圖形，通過絲網直接印刷在陶瓷基片上，經高溫燒結後便得高應變係數的厚膜力敏傳感器。
所述的導電相為釕酸鉍，玻璃相為硼矽酸鉛。本漿料由60～80wt％釕酸鉍和餘量為硼矽酸鉛的混合料以及有機溶劑組成。混合料優選釕酸鉍65～75wt％，餘量為硼矽酸鉛。
將配比量的釕酸鉍和硼矽酸鉛首先通過溼研磨混合均勻，經乾燥脫去水份後加入有機溶劑攪拌均勻，投入球磨機中球磨3～6小時便得到厚膜力敏漿料。
所述的有機溶劑優選乙基纖維素和松油醇的混合溶劑，以含3～5％乙基纖維素的混合溶劑最佳。
本漿料還可以通過摻雜改性。摻雜即摻入納米氧化物，以提高應變係數，降低溫度系，調節或降低方阻。所述的納米氧化物優選Al2O3、ZrO2、SiO2、MnO2等中的一種或兩種以上混合氧化物。摻入量為1～5wt％，優選2～4wt％。
摻雜可以在製備導電相時摻入，同時進行高溫固相反應。也可以在調漿時摻入。
本厚膜力敏漿料的製備方法包括導電相、玻璃相的製備、混合和調漿，其關鍵是導電相釕酸鉍(Bi2Ru2O7)的製備。釕酸鉍由氧化釕(RuO2)納米粉體與氧化鉍(Bi2O3)通過高溫固相反應生成的。此屬無機反應，可定量，即2mol RuO2和1mol Bi2O3首先通過球磨以混合均勻，然後於650～800℃條件下反應50～60分鐘生成Bi2Ru2O7。
所述的RuO2納米粉體是通過控制水合氧化釕(RuO2·H2O)的脫水溫度和時間製備的。即RuO2·H2O於400～600℃條件下脫水50～65分鐘便得到RuO2納米粉體，平均粒徑7～20nm。
玻璃相硼矽酸鉛由Pb3O4、H3BO4、SiO2、MnCO3按比例混合後球磨，然後於1300～1400℃條件下熔融，最後冷淬，乾燥過400目篩。
將配比量的Bi2Ru2O7和硼矽酸鉛通過溼研磨充分混合，經乾燥脫水後得到混合料。向該混合料中加入有機溶劑攪勻後於球磨機中球磨3～6小時便得到厚膜力敏漿料。
本漿料可製備應變係數高、性能穩定、耐腐蝕、工作溫度範圍寬、蠕變小的厚膜力敏傳感器。按所設計的圖形(導帶為鈀銀)將漿料印刷在陶瓷基片上，平放15分鐘，紅外燈下烘30分鐘。然後在峰值溫度750～850℃下燒結10～45分鐘。通過高溫燒結，由厚膜力敏漿料形成的厚膜應變壓阻和陶瓷彈性牢固地成為一體。長期載荷下，其應變電阻和彈性膜片的應變保護一致，避免了常用應變式傳感器因膠粘貼應變電阻所引起蠕變、遲滯。
用本漿料製備的應變電阻應變係數GF為13～17，溫度係數TCR≤±100ppm/℃，比擴散矽應變電阻小一個數量級以上。採用本發明設計研製的應變式厚膜力敏傳感器，耐腐蝕、耐高溫，工作溫度範圍寬、蠕變小，長期工作無塑性變形。不用隔離，彈性體可直接和腐蝕性酸、鹼等氣(液)體接觸，在工業自動化過程控制、機電一體化等領域有著廣闊的市場前景。
四、附圖簡明
圖1是本傳感器應變電阻阻值與載荷的關係2是RuO2納米粉體的粒徑分布圖。
五具體實施例方式
1、RuO2納米粉體的製備稱取水合氧化釕(RuO2·H2O)放入鎳舟內，然後置於高溫爐中緩慢升溫，在400～600℃範圍內保溫50～65分鐘，冷卻後出料便得到7～20nm的RuO2納米粉體。
2、導電相Bi2Ru2O7的製備按2∶1摩爾比稱取RuO2和Bi2O3投入研缽中研磨混合，然後用得星式球磨機球磨3～4小時，最後傾入石英舟內置高溫爐中，緩慢升溫，於650～800℃條件固相反應50～60分鐘。
3、玻璃相硼矽酸鉛的製備取Pb3O4、H3BO4、SiO2、MnCO3，依次按65％、14％、18～19％、1～3％(重量百分比)配比量稱量，投入研缽中混合，並用行星式球磨機球磨1～2小時。出料移至坩堝內置高溫爐中，於1350℃時熔融並保持20～30分鐘，將熔融的玻璃料倒入冷水中冷淬，分離後乾燥，過400目篩備用。
4、厚膜力敏漿料的製備(1)取60份Bi2Ru2O7和40份硼矽酸鉛，加適量水於研缽中溼研磨2小時，乾燥脫水後加入乙基纖維素和松油醇混合溶劑，用玻棒攪勻後投入行星式球磨機中，球磨3～6小時，即得到厚膜力敏漿料。
(2)取80份Bi2Ru2O7和20份硼矽酸鉛，用含3％乙基纖維素、餘為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(3)取65份Bi2Ru2O7和35份硼矽酸鉛，用含5％乙基纖維素、餘為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(4)取75份Bi2Ru2O7和25份硼矽酸鉛，用含4％乙基纖維素、餘為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(5)取68份Bi2Ru2O7和32份硼矽酸鉛，用含4％乙基纖維素，餘為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(6)、取72份Bi2Ru2O7和28份硼矽酸鉛，用含4％乙基纖維素，餘為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(7)、在上述例(1)～(6)中可以加入2～4％的Al2O3或/和ZrO2或/和SiO2或/和MnO2等，操作相同。
5、高應變係數力敏傳感器的製備以96％的Al2O3基片為例，先按要求在陶瓷基片上設計圖形(鈀銀為導帶)，將例(1)～例(6)所得到的漿料印刷在陶瓷基片上，平放15分鐘後於紅外燈下烘半小時，然後入高溫爐中，於750～850℃條件下燒結10～45分鐘，即得到GF為13～17、TCR≤100ppm/℃的厚膜力敏傳感器。
權利要求
1.一種厚膜力敏漿料，其特徵在於本漿料由60～80wt％釕酸鉍和餘量為硼矽酸鉛的混合料以及有機溶劑所組成。
2.根據權利要求1所述的厚膜力敏漿料，其特徵在於所述的混合料由65～75wt％釕酸鉍和餘量為硼矽酸鉛所組成。
3.根據權利要求1所述的厚膜力敏漿料，其特徵在於所述的有機溶劑為乙基纖維素和松油醇的混合溶劑。
4.根據權利要求1或3所述的厚膜力敏漿料，其特徵在於所述的混合溶劑為含3～5wt％乙基纖維素的混合溶劑。
5.根據權利要求1所述的厚膜力敏漿料，其特徵在於所述的漿料中含有1～5wt％的納米氧化物。
6.根據權利要求1或5所述的厚膜力敏漿料，其特徵在於所述的氧化物選自Al2O3、ZrO2、SiO2、MnO2中的一種或兩種以上。
7.根據權利要求6所述的厚膜力敏漿料，其特徵在於氧化物摻入量為2～4wt％。
8.由權利要求1所述的一種厚膜力敏漿料的製備方法，包括導電相、玻璃相的製備、混合和調漿，其特徵在於所述的導電相釕酸鉍由氧化釕納米粉體與氧化鉍經混合均勻後於650～800℃條件下反應50～60分鐘。
9.根據權利要求8所述的製備方法，其特徵在於所述的氧化釕納米粉體是水合氧化釕於400～600℃條件下脫水50～60分鐘，粉體平均粒徑7～20nm。
全文摘要
一種厚膜力敏漿料由60～80％釕酸鉍和20～40％硼矽酸鉛混合料中加入有機溶劑調製得到的漿料。釕酸鉍由氧化釕納米粉體與氧化鉍於650～800℃固相反應生成。氧化釕納米粉體由水合氧化釕於400～600℃下脫水生成。本漿料可印刷在陶瓷基片上，通過高溫燒結後得到高應變係數的厚膜力敏傳感器。應變係數GF為13～17、溫度係數TCR≤±100ppm/℃。耐腐蝕、耐高溫，工作溫度範圍寬、蠕變小，長期工作無塑性變形。不用隔離，彈性體可直接和腐蝕性酸、鹼等氣(液)體接觸，在工業自動化過程控制、機電一體化有著廣闊的市場前景。
文檔編號C09D5/24GK1805155SQ200510122889
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月3日 優先權日2005年12月3日
發明者馬以武, 常慧敏, 李民強, 陳建群 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院