一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法

2023-10-11 17:15:19

專利名稱：一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法
所屬領域 本發明涉及傳感器應用領域，特別涉及一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法。
背景技術：
壓力傳感器是我國傳感器系統中應用最廣的一類傳感器，在精密測量、自動化控制、航空航天、汽車、冶金、化工等領域都得到廣泛的應用。長期以來，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℃)，而且測量腐蝕性物體壓力需要隔離，結構複雜、成本高。近年來，雖有薄膜應變式等新型力敏傳感器出現，但因成本高等多種因素，難以滿足日益增長的石化、冶金、工業過程控制等需求。
國內外從八十年代開始研究電容式壓力傳感器，美國專利第4345299號公開了一種電容壓力傳感器，包括由陶瓷材料製成的一個基座和一個膜片，基座和膜片上分別製備一個金屬電極，上述基座和膜片之間固定在一起形成一介質腔，構成壓力傳感器。美國專利第4735098號公開了一種電容差壓傳感器，包括由陶瓷材料製成的一個基座和兩個膜片，基座兩面和膜片的一面分別製備一個金屬電極，上述基座和膜片固定在一起形成兩個介質腔，構成差壓力傳感器。這兩種傳感器系周邊支撐圓盤機構單電容，未能解決當大壓力時，由於邊緣效應，存在較大的非線性，且過載時兩電極容易短接；傳感器本身不帶處理電路，由於分布電容的影響，難於遠距離使用；基座不帶排氣孔，密封時內部氣體和揮發物在高溫下難排除，因而封接質量不高。
中國專利第87209178號公開了一種耐高溫抗振型的電容式壓力傳感器，包括一個由75氧化鋁陶瓷材料製成的基座和一個由95氧化鋁陶瓷材料製成的膜片，基座和膜片分別製備一對銀電極，上述基座和膜片之間用雲母片隔開並用鉛玻璃固定在一起形成一個介質腔，構成壓力傳感器。該專利基座和膜片的材料膨脹係數不一致，難以保證傳感器封接的可靠性和測量的穩定性；銀電極表面粗糙、難以形成表面平滑光滑的電極層，給後續加工帶來難度，容易造成電極短路，且銀電極易氧化，不耐腐蝕，難以在其表面覆蓋無機絕緣材料，用雲母片來控制電容間隙工藝難度大。
中國專利第2165438Y號公開了一種電容式壓力傳感器，包括由信號線，上、下外殼，動片固定螺栓，墊片，動片，彈性膜等部件，其中將上、下外殼、動片固定螺栓、傳感器彈性膜合為一個整體，動片由動片固定螺栓固定。但這種一體化實現傳感器結構部件太過複雜，整個傳感器顯得龐大，不適應小型化微型化需求，信號線裝配困難，可靠性和穩定性較差。

發明內容
本發明的目的是針對背景技術中傳感器的不足，為了滿足批量生產的需要，提出一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法。該發明採用了先進的電子陶瓷技術、無中介液的乾式壓力測量技術、厚膜傳感技術及絲網印刷、燒結工藝技術，能夠研製一種高性能、低成本的新型雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法。
本發明的技術方案是一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法，包括繪製平面化設計版圖、電極印刷、粘結密封層的絲網印刷及燒結，其特徵在於它是按以下步驟完成的1.1繪製平面化設計版圖，經照相製版、感光膠曝光顯影，將原圖轉印於絲網上構成掩模網版，選擇96％Al2O3陶瓷蓋板及陶瓷彈性膜片作電極板，並在淨化間進行超聲波清洗；
1.2電極印刷，取Pd/Ag電極漿料，並充分攪拌勻漿，採用250目尼龍絲網，將Pd/Ag電極漿料置於網板上，用刮板勻漿並通過網孔把漿料均勻地印刷澱積在陶瓷基片上；印刷後的電極水平放置流平5～15min後，置於50～180℃下60～80min，其中，自50℃始，升溫速率為15～25℃/min，烘乾，溫度分別為50℃，70℃，90℃，110℃，130℃，150℃，180℃，各溫點保溫10min後在乾燥箱內自然冷卻；1.3 Pd/Ag電極燒結，使用燒結爐，將陶瓷彈性膜片、陶瓷蓋板一起分別置於400℃、563℃、831℃、854℃、852℃和700℃下合計0.9～1.1小時，帶速0.87m/min；1.4印刷、燒結高溫粘結玻璃，通過粘結網板在彈性膜片及陶瓷蓋板上印刷高溫粘結白玻璃層，經流平、烘乾乾燥後燒結白玻璃，溫度參數設置，同Pd/Ag電極燒結；1.5印刷、烘乾、燒結絕緣玻璃層，通過絕緣層網版在陶瓷彈性膜片上再絲網印刷澱積一層二氧化矽絕緣膜，流平10min後，置於50～180℃下60～80min，其中，自50℃始，升溫速率為15～25℃/min，烘乾，溫度分別為50℃，70℃，90℃，110℃，130℃，150℃，180℃，各溫點保溫10min後在乾燥箱內自然冷卻，於580～620℃下燒結50-70min；1.6印刷低溫粘結玻璃，通過粘結網板在彈性膜片及陶瓷蓋板上，再印刷一層低溫玻璃粘結層，流平10min；1.7上下電極粘結，將陶瓷彈性膜片和陶瓷蓋板粘結，感壓元件在乾燥箱烘乾冷卻；1.8燒結感壓元件，燒結溫度300℃，400℃，510℃，520℃，520℃，400℃，帶速0.87m/min，燒結時長0.9～1.1小時，燒製成感壓元件。
所說的平面化設計版圖，其測量電極半徑為R1、參考電極內半徑為R2、參考電極外半徑為R3時，則應滿足R32-R22＝R12，且R2≥R10.5cm。
本發明製備方法的雙電容厚膜陶瓷感壓元件，包括基座和膜片，基座和膜片分別由厚的陶瓷蓋板和薄的陶瓷彈性膜片構成；陶瓷蓋板中心設置圓形的測量電極，邊緣設置環形的參考電極，構成同軸雙電極結構並使兩電極面積相等；陶瓷彈性膜片上設置一圓形的單電極作為公共電極，在公共電極上面覆蓋一層薄的二氧化矽玻璃絕緣膜，防止陶瓷彈性膜片上的公共電極過載時與陶瓷蓋板上的測量電極發生短路，公共電極與中心的測量電極構成測量電容器，公共電極與邊緣環形的參考電極構成參考電容器，即構成同軸環狀的雙電容感壓元件；陶瓷蓋板和陶瓷彈性膜片中間通過粘接玻璃層封接形成一個空心金屬凹槽的空氣介質腔，在空氣介質腔上面設置一個通氣孔使雙電容感壓元件的腔體與大氣相通；通過設置的空心金屬凹槽引出雙電容感壓元件的電極引出線，引出參考電極引出線、測量電極引出線、公共電極引出線形成空氣介質的電容器，引出線分別電連接軟性電路板將後續信號處理電路與雙電容感壓元件集成一體，減小導線分布電容影響並適合遠距離信號傳輸。
陶瓷蓋板上帶有排氣孔，利於密封時內部氣體和揮發物在燒結高溫下排除。陶瓷蓋板和陶瓷彈性膜片使用同一種電子陶瓷材料，即選擇96％Al2O3作電極板。
相對於現有技術的有益效果相對於現有技術，本發明提供了一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法，包括繪製平面化設計版圖、電極印刷、粘結密封層的絲網印刷及燒結製備工藝，雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法成本低，工藝實現相對容易，可靠性好，而且所需生產設備投資少。採用六溫區全自動遂道燒結爐，各溫區溫度均由微機控制，控制精度高，溫度分布均勻，操作方便，批量生產時生產周期短，該製備方法消除了普通爐子快速升溫時膜層表面先硬化，而內部存在氣孔等弊端。


下面結合附圖和實例對本發明做進一步說明。
圖1是本發明製備的雙電容厚膜陶瓷感壓元件結構圖；圖2是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的陶瓷蓋板電極圖；圖3是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的陶瓷彈性膜片電極圖；圖4是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的粘接層網版圖；圖5是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的二氧化矽絕緣膜圖。
根據附圖進一步解釋具體實施方式
圖1是本發明製備的雙電容厚膜陶瓷感壓元件結構圖，其中1為粘接玻璃層，2為陶瓷蓋板，3為參考電極引線，4為軟性電路板，5為測量電極引線，6為測量電極，7為公共電極引線，8為參考電極，9為通氣孔，10為二氧化矽絕緣膜，11為公共電極，12為陶瓷彈性膜片。
圖2是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的陶瓷蓋板電極圖，中心測量電極6和邊緣參考電極8面積相等，電極間隙至少0.5cm，3為參考電極引線，5為測量電極引線，7為公共電極引線。
圖3是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的陶瓷彈性膜片電極圖，其中3為參考電極引線，5為測量電極引線，7為公共電極引線，11為公共電極。
圖4是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的粘接層網版圖，其中1為粘接玻璃層。
圖5是雙電容厚膜陶瓷感壓元件的絕緣膜圖，其中10為二氧化矽絕緣膜。
實施例，一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法，該方法的操作步驟為一、繪製平面化設計版圖為減少溫度影響和邊緣效應，設計時在陶瓷彈性膜片12上設置一圓形的單電極作為公共電極11，陶瓷蓋板2上設置雙電極並使其面積相等，構成同軸環狀的雙電容感壓元件，中心為測量電極6，邊緣環形為參考電極8，參考電極外側是固支邊。設測量電極半徑R1，參考電極內半徑R2，參考電極外半徑R3，則應滿足R32-R22＝R12，同時R2比R1大0.5cm以上，以減小測量電容和參考電容之間的幹擾，本實施例中，陶瓷蓋板設計R1為6.82cm，R2為7.32cm，R3為10.0cm，A為測量電極引出端，B為參考電極引出端，C為公共電極引出端。厚膜版圖經照相製版，並經感光膠曝光顯影，將原圖轉印於絲網上構成掩模網版。
陶瓷蓋板和陶瓷彈性膜片選擇雙電容厚膜陶瓷感壓元件採用電容變間隙式原理，由96％Al2O3陶瓷蓋板2及陶瓷彈性膜片12作電極板，陶瓷彈性膜片12具有零力學滯後、高彈性、抗腐蝕、抗磨損、蠕變和遲滯小的特點，兼有較高的熱導率和電絕緣強度。製作陶瓷蓋板和陶瓷彈性膜片的厚膜時注意陶瓷板的材質、尺寸、粗糙度、翹曲以及表面的缺陷與汙染等，並在淨化間進行超聲波清洗。
電極漿料選擇要求漿料即有良好的觸變性和流動性，又有一定的粘度，使得在刮板運動的轉印過程中，能很好地通過掩膜圖形澱積在基板表面，印刷結束後漿料又不流趟，能保持掩模圖形不模糊，在漿料印刷到基板上後，讓印刷表面的網線痕跡，通過表面張力和重力的作用而自動流平，使厚膜的表面光滑，厚度均勻，邊緣變形消失。絲網印刷前從冰箱中取出Pd/Ag電極漿料，並充分攪拌勻漿。
二、厚膜電極絲網印刷本發明厚膜印刷重視印刷厚膜即陶瓷彈性膜片12和陶瓷蓋板2的均勻性、印刷電極的光滑性、印刷材料和基板的粘結性和溼潤性、膜厚的控制、印刷解析度等。繃制絲網是保證高質量細線圖形的重要工序之一，絲網網線與框邊及印刷圖形主要線條(大部分線條與框邊平行)成45°角，橡皮刮板要順著圖形線條方向移動才能保證每個圖形漏印漿料量均勻。在繃制絲網過程中，如因操作不當，未使網線與框邊形成45°角，或刮板運動時施力不勻，都會導致圖形線條變形，邊緣呈鋸齒狀。印刷前要根據絲網的大小、目數、張力，通過反覆的試驗調節絲網印刷機，確定絲網與基板間的距離高度，高度太小，絲網回彈力小，膜層變薄，重現性差，而且還容易粘絲網，印刷圖案不清晰，粘絲網還容易形成氣泡和針孔；若高度太大，膜層變厚，絲網和掩摸會受力產生變形，影響圖形精度，也會加劇絲網和刮板的磨損。印刷速度慢，壓力大，轉印漿料越多，基片表面光潔，接觸部分增大，有利於漿料轉移。本發明採用250目尼龍絲網，取適量Pd/Ag電極漿料於網板上，用刮板勻漿並通過網孔把漿料均勻地印刷沉積在陶瓷彈性膜片12和陶瓷蓋板2上，其圖案由絲網下面的掩膜圖形決定。
厚膜電極流平並烘乾陶瓷彈性膜片12和陶瓷蓋板2上的電極印刷後，水平放置流平10min，讓厚膜表面上的網線痕跡在表面張力和重力的作用下自動流平，形成表面光滑，厚度均勻，邊緣整齊的膜，網紋也隨之消失。流平還利於避免後續燒結工藝中起泡，流平時間不宜太長，否則圖案會變模糊。流平後放電熱鼓風乾燥箱中烘乾，先加熱到50℃，保溫10min，後間隔升溫點為50℃，70℃，90℃，110℃，130℃，150℃，180℃，每次恆溫10min，關加熱並使陶瓷彈性膜片12和陶瓷蓋板2在乾燥箱內自然冷卻。
三、Pd/Ag電極燒結使用HSL-3006六溫區全自動遂道燒結爐，燒結爐帶長6m，六溫區溫度設置為400℃，563℃，831℃，854℃，852℃，700℃，燒結帶速0.83m/min，設置溫度後開機預熱約兩小時，使各溫區溫度升至預設值並使爐內溫度恆定均衡。再從進片口放入烘乾的陶瓷彈性膜片12和陶瓷蓋板2，水平放置勿重疊，避免拾取時造成機械性損傷。紅外加熱是一種熱輻射加熱的方式，紅外爐各溫區溫度均由微機控制，控制精度高，溫度分布均勻，操作方便，批量生產時生產周期短，該燒結方法消除了普通爐子快速升溫時膜層表面先硬化，而內部存在氣孔等弊端。燒結時長約1小時，期間防止爐體運行卡帶。
四、印刷、燒結高溫粘結玻璃
通過粘結網板在陶瓷彈性膜片12及陶瓷蓋板2上印刷高溫粘結白玻璃層(軟化點溫度約為800℃)，同樣要流平，烘乾乾燥。網板用酒精棉球擦淨。燒結白玻璃，溫度參數設置同Pd/Ag電極燒結。
五、印刷、烘乾、燒結絕緣玻璃層為防止感壓元件受力時電容間隙減小，使陶瓷彈性膜片12和陶瓷蓋板2電極短接，通過絕緣層網版在作為公共電極的陶瓷彈性膜片12上再絲網印刷澱積一層玻璃薄層即二氧化矽絕緣膜10，流平10min後烘乾。放置馬弗爐燒結固化二氧化矽絕緣膜10，燒結溫度600℃，燒結時間50-70分鐘，固化時間為50-70分鐘。
六、印刷低溫粘結玻璃通過粘結網板在陶瓷彈性膜片12及陶瓷蓋板2上印刷高溫玻璃粘結層處，再印刷一層低溫粘結玻璃層1，流平10min。
七、上下電極粘結將陶瓷彈性膜片12和陶瓷蓋板2粘結，粘結時C對C′作為公共電極引出端7，A對A′作為測量電容引出端5，B對B′作為參考電容引出端3，通過粘結密封網版將上下電極邊緣印刷玻璃粘結，各粘結點應充分對齊，電極粘結時用力均勻，保證感壓元件電容間隙各處均勻一致。粘結前應對電極或者陶瓷通氣孔9等處殘留的細屑粉體顆粒作適當擦拭，防止粘接後電極之間短路。粘結的感壓元件在乾燥箱烘乾冷卻。
八、燒結粘結好的感壓元件燒結溫度300℃，400℃，510℃，520℃，520℃，400℃，帶速0.87m/min，燒制完畢，一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件製成。
權利要求
l、一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法，包括繪製平面化設計版圖、電極印刷、粘結密封層的絲網印刷及燒結，其特徵在於它是按以下步驟完成的1.1繪製平面化設計版圖，經照相製版、感光膠曝光顯影，將原圖轉印於絲網上構成掩模網版，選擇96％Al2O3陶瓷蓋板及陶瓷彈性膜片作電極板，並在淨化間進行超聲波清洗；1.2厚膜電極絲網印刷，取Pd/Ag電極漿料，並充分攪拌勻漿，採用250目尼龍絲網，將Pd/Ag電極漿料置於網板上，用刮板勻漿並通過網孔把漿料均勻地印刷澱積在陶瓷基片上；印刷後的電極水平放置流平5～15min後，置於50～180℃下60～80min，其中，自50℃始，升溫速率為15～25℃/min，烘乾，溫度分別為50℃，70℃，90℃，110℃，130℃，150℃，180℃，各溫點保溫10min後在乾燥箱內自然冷卻；1.3Pd/Ag電極燒結，使用燒結爐，將陶瓷彈性膜片、陶瓷蓋板一起分別置於400℃、563℃、831℃、854℃、852℃和700℃下合計0.9～1.1小時，帶速0.87m/min；1.4印刷、燒結高溫粘結玻璃，通過粘結網板在陶瓷彈性膜片及陶瓷蓋板上印刷高溫粘結白玻璃層，經流平、烘乾乾燥後燒結白玻璃，溫度參數設置，同Pd/Ag電極燒結；1.5印刷、烘乾、燒結絕緣玻璃層，通過絕緣層網版在陶瓷彈性膜片上再絲網印刷澱積一層二氧化矽絕緣膜，流平10min後，置於50～180℃下60～80min，其中自50℃始，升溫速率為15～25℃/min，烘乾，溫度分別為50℃，70℃，90℃，110℃，130℃，150℃，180℃，各溫點保溫10min後在乾燥箱內自然冷卻，於580～620℃下燒結50-70min；1.6印刷低溫粘結玻璃，通過粘結網板在陶瓷彈性膜片及陶瓷蓋板上，再印刷一層低溫玻璃粘結層，流平10min；1.7上下電極粘結，將陶瓷彈性膜片和陶瓷蓋板粘結，感壓元件在乾燥箱烘乾冷卻；1.8燒結粘結好的感壓元件，燒結溫度300℃，400℃，510℃，520℃，520℃，400℃，帶速0.87m/min，燒結時長0.9～1.1小時，燒結成感壓元件。
2.根據權利要求1所說的一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法，其特徵是所說的平面化設計版圖，其測量電極半徑為R1、參考電極內半徑為R2、參考電極外半徑為R3時，則應滿足R32-R22＝R12，且R2≥R10.5cm。
全文摘要
本發明公開了一種雙電容厚膜陶瓷感壓元件的製備方法，包括繪製平面化設計版圖、電極印刷、粘結密封層的絲網印刷及燒結製備工藝。繪製平面化設計版圖，經照相製版、曝光顯影，將原圖轉印於絲網上構成掩模網版，通過厚膜網版將Pd/Ag電極漿料澱積在陶瓷蓋板和陶瓷彈性膜片上，經流平、烘乾、燒結形成電極；通過粘結網板在陶瓷彈性膜片及陶瓷蓋板邊緣印刷高溫粘結白玻璃層，經流平、烘乾乾燥後燒結白玻璃；在公共電極上印刷、烘乾、燒結一層二氧化矽絕緣膜，以防止感壓元件過載時短接，印刷低溫粘結玻璃層後，將上下電極粘結形成雙電容厚膜陶瓷感壓元件結構且經燒結製成。該發明的製備方法成本低，工藝實現相對容易，可靠性好，適於批量生產。
文檔編號G01L9/00GK101063637SQ20061004016
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月28日 優先權日2006年4月28日
發明者李民強, 馬亦武, 王英先, 唐力強, 李鵬 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院