一種高精度陶瓷壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其涉及一種高精度陶瓷壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]兩陶瓷片間間距大小控制精度是保證此類陶瓷壓力傳感器靜態(tài)電容、使用范圍和精度的根本，目前控制兩陶瓷片間距方法的都靠在基板上引入第二種材料形成平行板所需要的間距，像陶瓷小球、樹脂小球、低溫共燒(LTCC)陶瓷片、陶瓷煅、隔離片等材料通過熱壓方式和基板、薄片燒結(jié)在一起，引入材料的最終厚度就為平行板間所需最終間距，由于引入材料Z軸方向收縮率受壓力、燒結(jié)溫度等因素影響的不確定性，此方法很難保證最終間距的控制，且傳感器后續(xù)需經(jīng)反復(fù)壓力沖擊，第二種材料很容易出現(xiàn)因熱膨脹性系數(shù)、彈性模量、抗壓強度等參數(shù)和瓷體材料的差異而導(dǎo)致傳感器失效。
[0003]兩瓷體上電極圖案設(shè)計是影響壓力傳感器輸出方式和精度的另一重要因素，目前此類陶瓷壓力傳感器電極都采用在一厚一薄兩片陶瓷上印刷電極構(gòu)成平行板結(jié)構(gòu)，電極采用一個公共電極，一個測量電極，一個參考電極三電極結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可采用單分輸出，但無法消除雜散電容對參考電容的影響，在傳感芯片自身電容值較小時，雜散電容值往往比芯片自身電容還要大，導(dǎo)致傳感器最終輸出精度很難保證。
[0004]采用空氣作為兩電極間介質(zhì)的陶瓷壓力傳感器，以空氣作為電極介質(zhì)的傳感器靜態(tài)電容值較小，其在相同壓力下輸出電容變化值小，傳感器輸靈敏度差，且在過載壓力作用下，電極會出現(xiàn)電極短路現(xiàn)象，短路的發(fā)生很容易使傳感器的信號處理電路發(fā)生燒毀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高精度陶瓷壓力傳感器。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種高精度陶瓷壓力傳感器，包括具有凹穴和多個導(dǎo)電通孔的陶瓷基板，以及結(jié)合于所述陶瓷基板的凹穴所在的那一側(cè)的陶瓷薄片，所述凹穴的凹面上設(shè)置有測量電極和環(huán)繞所述測量電極的第一環(huán)形電極，所述陶瓷薄片與所述凹面相對的那一面上設(shè)置有移動電極和環(huán)繞所述移動電極的第二環(huán)形電極，所述測量電極、所述第一環(huán)形電極、所述移動電極和所述第二環(huán)形電極的引出端分別通過對應(yīng)的導(dǎo)電通孔在所述陶瓷基板的與所述凹穴相反的另一側(cè)引出，所述移動電極與所述測量電極構(gòu)成測量電容，所述移動電極與所述的第一環(huán)形電極構(gòu)成參考電容，所述第一環(huán)形電極和所述第二環(huán)形電極還通過導(dǎo)電通孔短接構(gòu)成等電勢面。
[0008]所述第一環(huán)形電極具有開口，所述測量電極從所述第一環(huán)形電極的開口向外引出測量電極引出端，所述第一環(huán)形電極在其開口的相對端向外引出第一環(huán)形電極第一引出端，所述第二環(huán)形電極具有開口，所述移動電極從所述第二環(huán)形電極的開口向外引出移動電極引出端，所述第二環(huán)形電極在其開口的相對端向外引出第二環(huán)形電極引出端，所述第一環(huán)形電極還向外引出第一環(huán)形電極第二引出端，所述第二環(huán)形電極引出端和所述第一環(huán)形電極第二引出端對齊并通過導(dǎo)電通孔短接以形成共同的電極引出端；優(yōu)選地，所述第二環(huán)形電極引出端與所述移動電極引出端通過插入導(dǎo)電通孔的導(dǎo)電柱與所述導(dǎo)電通孔電連接。
[0009]所述第一環(huán)形電極和所述第二環(huán)形電極的外徑相等。
[0010]所述測量電極為與所述第一環(huán)形電極同心的圓形，所述移動電極為與所述第二環(huán)形電極同心的圓形，所述測量電極的直徑< 所述移動電極的直徑 <所述第一環(huán)形電極和所述第二環(huán)形電極的外徑，優(yōu)選地，所述第一環(huán)形電極和所述第二環(huán)形電極的外徑相等并同心。
[0011]所述陶瓷基板在所述凹穴的外圍與所述陶瓷薄片之間通過玻璃薄膜燒結(jié)粘接為一體，優(yōu)選地，所述玻璃薄膜的厚度在10-12 μπι。
[0012]所述凹穴的深度為40-200 μ m，尤其是40-100 μ m，優(yōu)選40-60 μ m。
[0013]所述陶瓷基板的總厚度在2-5mm，所述陶瓷薄片的厚度在0.3-1.0mm，優(yōu)選在
0.3-0.6mm。
[0014]所述陶瓷基板為氧化鋁或氧化錯基板。
[0015]在所述移動電極和所述第二環(huán)形電極上覆蓋有介質(zhì)層，優(yōu)選地，所述介質(zhì)層厚度在 0.5-1.0 μ m。
[0016]所述測量電極、所述第一環(huán)形電極、所述移動電極和所述第二環(huán)形電極燒結(jié)后電極表面粗糙度小于0.3 μ m，厚度控制在0.5-1.5 μ m。
[0017]本發(fā)明的有益技術(shù)效果:
[0018]本發(fā)明中，電極的間距直接由陶瓷基板上一定深度的凹穴形成，根據(jù)需要可控制生成凹穴的深度，不需要引入第二種材料就可以把電極間距控制在很高的精度范圍內(nèi)，此方案有效解決了目前在基板上引入第二種材料導(dǎo)致電極間距偏差大的問題；而且，基板和薄片的電極間距在使用過程中不存在因為材料之間熱膨脹系數(shù)不一致而導(dǎo)致傳感器精度下降現(xiàn)象?；咫姌O和陶瓷薄片電極都采用雙電極結(jié)構(gòu)，其中測量電極和移動電極構(gòu)成測量電容，移動電極和第一環(huán)形電極構(gòu)成參考電容，第一環(huán)形電極和第二環(huán)形電極短接構(gòu)成等電勢面，此結(jié)構(gòu)可以有效消除雜散電容對測量電容和參考電容的影響，使輸出不管采用差分和還是單分都具有很高的精度。
[0019]因此，本發(fā)明能夠有效解決目前陶瓷壓力傳感器電極結(jié)構(gòu)設(shè)計無法消除雜散電容影響，兩平行板間間距控制精度差，引入第二種材料控制間距的同時把基板和薄片粘合在一起而導(dǎo)致粘合效果差，使用過程中由于材料匹配性問題而導(dǎo)致產(chǎn)品失效，采用空氣作為介質(zhì)層而導(dǎo)致傳感器靜態(tài)電容小，輸出靈敏低以及過載壓力下易短路等問題。與常規(guī)陶瓷壓力傳感器相比，采用本發(fā)明，電極間距控制準確、靈敏高、封接效果好，采用單分和差分輸出都能保證很高的精度，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單、抗過載、耐腐蝕能力強、電容溫度系數(shù)低、蠕變和遲滯小、非線性好等優(yōu)點，在高、低溫和不同量程范圍內(nèi)都具有很強的適應(yīng)性。
[0020]進一步的方案還能獲得更多的優(yōu)點。例如，第一環(huán)形電極和第二環(huán)形電極外徑相等，有利于進一步消除雜散電容的影響，獲得更高的精度。又如，移動電極和和第二環(huán)形電極上可覆蓋一層高介質(zhì)常數(shù)的介質(zhì)層，介質(zhì)層的存在可以提高傳感器的靜態(tài)電容和電容隨壓力變化的靈敏度，同時又能防止基板和薄片電極因受過載壓力變形接觸而短路現(xiàn)象。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一種實施例的高精度陶瓷壓力傳感器一個截面圖(截面對應(yīng)于圖4中電極引出端14、16的連線方向);
[0022]圖2為本發(fā)明一種實施例的高精度陶瓷壓力傳感器另一截面圖(截面對應(yīng)于圖5中電極引出端18、19的連線方向);
[0023]圖3為本發(fā)明一種實施例中的陶瓷基板截面圖；
[0024]圖4為本發(fā)明一種實施例中的陶瓷基板電極設(shè)計平面圖；
[0025]圖5為本發(fā)明一種實施例中的陶瓷薄片電極設(shè)計平面圖；
[0026]圖6為本發(fā)明實施例傳感器的壓力-電容輸出曲線。
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0028]請參閱圖1至圖5，在一些實施例里，一種高精度陶瓷壓力傳感器，包括具有凹穴3和多個導(dǎo)電通孔10、11、12、13的陶瓷基板1，以及結(jié)合于陶瓷基板1的凹穴3所在的那一側(cè)的陶瓷薄片2，凹穴3的凹面上設(shè)置有測量電極4和環(huán)繞測量電極4的第一環(huán)形電極5，陶瓷薄片2與凹面相對的那一面上設(shè)置有移動電極6和環(huán)繞移動電極6的第二環(huán)形電極7，測量電極4、第一環(huán)形電極5、移動電極6和第二環(huán)形電極7的電極引出端14、16、18、19分別通過對應(yīng)的導(dǎo)電通孔10、11、12、13延伸到陶瓷基板1的與凹穴3相反的另一側(cè)，移動電極6與測量電極4構(gòu)成測量電容，移動電極6與的第一環(huán)形電極5構(gòu)成參考電容，第一環(huán)形電極5和第二環(huán)形電極7還通過導(dǎo)電通孔13短接構(gòu)成等電勢面。按照上述配置的傳感器，不管采用單獨的壓力/測量電容還是壓力/測量電容-參考電容輸出，傳感器都有很高的輸出精度。
[0029]在優(yōu)選的實施例中，第一環(huán)形電極5具有開口，測量電極4從第一環(huán)形電極5的開口向外引出測量電極引出端14，第一環(huán)形電極5在其開口的相對端向外引出第一環(huán)形電極第一引出端16，第二環(huán)形電極7具有開口，移動電極6從第二環(huán)形電極7的開口向外引出移動電極引出端18，第二環(huán)形電極7在其開口的相對端向外引出第二環(huán)形電極引出端19，第一環(huán)形電極5還向外引出第一環(huán)形電極第二引出端17，第二環(huán)形電極引出端19和第一環(huán)形電極第二引出端17對齊并通過導(dǎo)電通孔13短接以形成共同的電極引出端；優(yōu)選地，第二環(huán)形電極引出端19與移動電極引出端18 (移動電極引出端18對應(yīng)圖4所示的電極引出端15)分別通過插入導(dǎo)電通孔13、12的導(dǎo)電柱與導(dǎo)電通孔13、12電連接。
[0030]在優(yōu)選的實施例中，第一環(huán)形電極5和第二環(huán)形電極7的外徑相等。
[0031]在優(yōu)選的實施例中，測量電極4為與第一環(huán)形電極5同心的圓形，移動電極6為與第二環(huán)形電極7同心的圓形，測量電極4的直徑<移動電極6的直徑<第一環(huán)形電極5和第二環(huán)形電極7的外徑。更優(yōu)選地，第一環(huán)形電極5和第二環(huán)形電極7的外徑相等并同心。
[0032]在優(yōu)選的實施例中，陶瓷基板1在凹穴3的外圍與陶瓷薄片2之間通過玻璃薄膜9燒結(jié)粘接為一體，優(yōu)選地，玻璃薄膜9的厚度在10-12 μ m0
[0033]在優(yōu)選的實施例中，陶瓷基板1的凹穴3的深度為40-200 μ m，尤其是40-100 μ m，更優(yōu)選是40-60 μ m。
[0034]在優(yōu)選的實施例中，陶瓷基板1的總厚度在2_5mm，陶瓷薄片2的厚度在
0.3-1.0mm，優(yōu)選在 0.3-0.6mm。
[0035]陶瓷基板1可以采用氧化鋁或氧化錯基板。
[0036]在優(yōu)選的實施例中，在移動電極6和第二環(huán)形電極7上覆蓋有介質(zhì)層8，優(yōu)選地，介質(zhì)層8厚度在0.5-1.0 μ m。
[0037]在優(yōu)選的實施例中，