新型厚膜陶瓷电容式压力传感器感压元件研究_唐力强

1、2006年第25卷第6期 传感器与微系统(T ransducer and M i crosyste m T echnolog i es新型厚膜陶瓷电容式压力传感器感压元件研究*唐力强,李民强,陈建群,张 宾,王英先(中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室,安徽合肥230031摘 要:采用厚膜传感技术研制新型陶瓷电容式压力传感器,重点开展厚膜陶瓷电容感压元件的制备工艺和混合集成化研究。详细阐述了双电容感压元件的工作原理、结构设计、工艺制备方法及性能测试。试验结果表明:研制的感压元件性能良好,非线性误差低于1.0%,迟滞误差小于0.5%,测试电容和参考电容温度系数近乎一致。关键词:厚膜

2、;电容式压力传感器;感压元件中图分类号:TP212.12 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(200606-0039-04Research on pressure sensitive co mponent of novel t hick fil mcera m ic capacitive pressure sensor*TANG Li qiang,LI M i n q iang,C H E N Jian qun,ZHANG B i n,WANG Y i n g x ian (State K ey Laboratory of Tran s du cer T echno l ogy,In

3、 stitute of I n telligen t M ach i n es,Ch inese A cade m y ofScien ces,H efe i230031,Ch inaAbstract:N ove l cera m ic capac itive pressure sensors(CCPSare researched by t he t h ick fil m sensitive techno logy.T he preparati on techn i que and hybr i d i ntegrati on of t he pressure sensiti v e com

4、ponent are e m phasized.T he bas i c pr i nciple,fabric des i gn,m anufact u ri ng technique and pe rf o r m ance test of dual capac ity pressure sens i tive component are descri bed in deta i.l Exper i m enta l results i nd ica te that the co m ponent has exce llent perfor m ance,t he non li near i

5、t y erro r and hysteres i s error are w it h i n1.0%and0.5%respecti v ely,espec i a lly,both te m pera t ure coeffic i ent o f capacity(TCCare i dentica.lK ey word s:t h ick fil m;capac iti ve pressure sensor;pressure sens i tive co m ponent0 引 言压力传感器是传感器系统中应用最广的一类传感器,厚膜陶瓷电容式压力传感器在充分发挥以往压力传感器优点的基础上,

6、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,运用零力学滞后的电子陶瓷技术,研制成非充液空气介质的传感器,因其具有很好的重复性和稳定性、受分布电容和寄生电容影响小、功耗低、非线性好、电容温度系数低、结构简单、抗干扰、抗过载、耐腐蚀能力强、蠕变和迟滞小、适用范围广,这些优点预示了它具有较大的市场应用前景1。陶瓷感压元件的设计是整个厚膜电容式压力传感器的核心和基础,作为传感器中最前端信息获取的关键部件,感压元件的非线性、迟滞、温度稳定性等决定了整个传感器性能。本文从电容变间隙式原理出发,建立了双电容感压元件模型,并对理论模型进行了详细的推导,得到了参考电容和测量电容随压力变化的理

7、论计算公式,并采用厚膜工艺,收稿日期:2006-01-29*基金项目:安徽省 十五科技攻关计划资助项目(040120503研制了直径分别为28mm和40mm两组感压元件,最后,给出了试验测试结果。1 工作原理和计算推导1.1 工作原理及设计厚膜陶瓷电容感压元件采用电容变间隙式原理,由96%A l2O3陶瓷基板及陶瓷弹性膜片作电极板,如图1,陶瓷膜片具有零力学滞后、高弹性、抗腐蚀、抗磨损、蠕变和迟滞小的特点,兼有较高的热导率和电绝缘强度。电极材料采用钯银电极浆料2(Pd Ag电极。通过厚膜丝网印刷工艺将电容电极掩模图形转印到陶瓷盖板和弹性膜片上;利用低温玻璃将陶瓷盖板和弹性膜片电极粘接成一体,经

8、烘干和高温烧结就形成了一个非充液空气介质的电容器,其电容量由电极面积和两电极间的间隙决定。电极初始间隙采用烧结的玻璃体控制,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的大小成比例,39传感器与微系统 第25卷这样的电容器就可以 用来作检测压力的敏感元件。图1 电容式感压元件结构F ig 1 Fabri c s che m e of capacitive press ure sens itive component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,电容量产生非线性并使灵敏度降低,为减

9、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极并使面积相等,构成同轴环状的双电容传感器。中心为测量电容C p ,边缘环形为参考电容C r ,C r 的外测是固支边。后续的信号调理电路处理的是两电容的压差,利用方波激励信号把C p 和C r 的变化量分别转换为直流电压输出,通过两输出电压的差值信号来测量外加压力的大小。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,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。本文作者研制了膜片直径为28mm 和40mm

10、2种感压元件,图2为 28mm 感压元件的厚膜网板设计图。粘结时,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,通过粘结密封网板将上下电极边缘印刷玻璃 粘结。图2 28mm 感压元件的厚膜网板设计图Fig 2 Thi ck fil m screen l ayout of 28mm press ure sens itivecomponent1.2 计算推导对单电容结构,设感压元件膜片上下电极间隙为d,电极半径为R,零压时其初始电容量为C 0= 0 r R 2d,(1式中 C 0为初始电容,F ; 0为真空介电常数 0=8.85410-12F /m

11、 ; r 为极板间介质的相对介电常数,介质腔为空气, r #1;d 和R 单位m 。对弹性膜片施加压力p 时,设弹性膜片厚度为t ,半径为a,距膜片中心为r 处受压其极距间隙变化量(挠度为3W r =3p (1-!216E t3(a 2-r 22,(2式中 W r 为挠度,m ;E 为杨氏弹性模量,N m -2;!为泊松比,!#0.3;p 为压力,N ;t ,a ,r 的单位均为m 。可见受载后,弹性膜片发生弯曲变形,由于电容量的可加性,对电极半径为R,总电容量为各挠曲微元电容的积分C =%R 02 0 r d -W r r d r =0 rd%R11-Wrdd r 2,(3挠度W r 不会超

12、过间隙d ,上式被积函数经级数展开,则C =0 rd%R(1+W r d +(W r d 2+&+(Wr dn d r 2(n (.(4由式(2W r 与压力p 成线性关系,经式(4积分后,电容C 不再与有线性关系,当n 1时,出现p 的非线性项。只有当挠度W r 小于d 时,即W r /d 1时,电容量C 才随压力p 变化呈线性变化关系。此时C 0 rd%R 0(1+W rdd r 2 0 r d r 2+K p d (a 4r 2-a 2r 4+r 63R 0,(5式中 K =3 0 r (1-!216Ed 2t 3,!为泊松比。所以,在图2的感压元件上测试电容和参考电容为C p # 0

13、r R 21d+Kp a 6-(a 2-R 213,(6C r # 0 r (R 23-R 22d+K p (a 2-R 223-(a 2-R 233,(7式中 a 为弹性膜片半径,m ;R 1为C p 半径,m ;R 2为C r 内半径,m ;R 3为C r 外半径,m 。2 感压元件的制备本文研制了 28mm 和 40mm 两组感压元件,以96%A l 2O 3陶瓷盖板及陶瓷弹性膜片作电极板,将钯银电极浆料通过厚膜丝网印刷的方法印刷在电极板上形成固定电极和可动电极,通过低温玻璃粘结密封后烧结,形成双电容结构。主要工艺过程4,5:(1绘制平面化设计版图后照相制板,并经感光胶暴光显影,将原图转

14、印于丝网上构成掩模网板;(2选择陶瓷基板,使用96%A l 2O 3陶瓷膜片,并在净化间进行超声波清洗;(3丝网印刷:将Pd /A g 电极浆料充分搅拌,取适量浆料于网板上,用刮板匀浆并通过网孔把浆料均匀地印刷沉积在陶瓷基片上,其图案由丝网下面的掩模图形决定;(4电极印刷后,水平放置流平10m i n 至网纹消失,然后,40第6期 唐力强等:新型厚膜陶瓷电容式压力传感器感压元件研究 在125下烘干;(5电极烧结:在遂道烧结炉850下烧结,烧结带速0.83m /m i n ;(6印刷玻璃:在有电极的弹性膜片及盖板上印刷玻璃层;(7上下电极粘结:据图2将弹性膜片和盖板粘结,干燥箱烘干冷却;(8粘结

15、玻璃烧结,烧结温度为520,烧制完毕,感压元件芯片制成。3 性能测试分析在相同的实验条件下,对两组样品作压力温度试验,分别测量测试电容C p 和参考电容C r 的非线性、灵敏度、迟滞误差和零点电容温度系数,压力测试采用浮球式压力计,电容测量采用电容测试仪。温度稳定性的测量在专用的温度试验箱中进行,各温度测试点升温间隔1h 。因两组样品的弹性膜片厚度不同,压力测量范围也不同,图3、图4分别为 28mm, 40mm 压力标定数据所绘制的压力电容曲线,图5、图6分别为 28mm, 40mm 的温度 电容曲线。图3 28mm 样品压力电容关系曲线Fig 3 p C test curve of samp

16、le 28mm图4 40mm 样品压力电容关系曲线F i g 4 p C test curves o f s amp l e 40mm压力测试表明:两组样品的测试电容C p 、参考电容C r 与外加压力都有很好的线性关系,非线性误差小,最大不超过1%,曲线较为平滑,并且,加压、减压的压力正反行程曲线重合得很好,迟滞误差很小,都在0.5%以内,这为感压元件后续的信号调理电路提供了很宽的性能提升空间。测试结果也表明:C r 随压力变化相对C p 小,其灵敏度较低,因为,C r 电极在陶瓷盖板的外环,相同的压力使C r 间隙变化相对C p 小,所以,C r 灵敏度较低,随压力变化相对缓慢,这就保证了

17、后续电路处理电容差值时也有一定的灵敏度输 出。两组样品的测试电容和参考电容初始值大致相等,也图5 28mm 样品温度电容关系曲线Fig 5 T C test curv es o f sa m pl e 28mm图6 40mm 样品温度电容关系曲线Fig 6 T C test curv es o f sa m pl e 40mm存在偏差,偏差的产生,一方面是电极间隙控制存在误差,上下电极粘接时工艺因素也可能导致较大的偏差,比如:粘结时,上下电极没完全对准或两侧用力不均,同时,设计时为使上下电极充分粘结密封,粘结玻璃层内半径比参考电极外半径小0.5mm 左右,参考电极和粘结玻璃有面积重叠,这部分电

18、容单元的介质是玻璃不再是空气,玻璃的介电常数比空气大,也可能使参考电容初始值比测量电容大,另外,电容测试过程中,电容引出线及仪器周边设备都可能产生电容分布干扰,存在少许寄生电容,在电容测试中,应将整个测试装置固定,并充分接地屏蔽,电容引出线尽可能短,且适当分开或垂直,并用单刀双掷开关一次性测试C p和C r 值,保证杂散电容小而稳定。温度测试结果表明:两组感压元件的测试电容C p 、参考电容C r 的电容温度曲线几乎平行,斜率很相近,且很平滑,电容温度系数在同一量级且近乎相等,最大也不超过22010-6,在后端电路处理时,取其差值信号作为输出,温度影响就可以相互抵消,具有较好的温度自补偿能力。

19、温度主要影响感压元件的几何尺寸,温度变化使电容极板间的间隙或极板面积发生变化。由于两极板间的间隙非常小,只要很小的间隙变化就会引起很大的温度误差,由于C r 与C p 性质完全相同且置于同一温度场中,当测量环境温度变化时,C r 和C p 产生相同的电容值变化,差值输出后起了一定的温度补偿作用。41传感器与微系统 第25卷4 结 论本文研制的双电容厚膜陶瓷感压元件,是一种干式空气介质的电容器,由于空气的介电常数随温度的变化量极小,因而,同以往的压力传感器相比,其温度漂移小,再设计了双电容结构,同一温度对测试电容和参考电容所产生的温度效应是一致的,温度影响可以相互抵消,两电容差值输出时,大大减小

20、了因温度引起的测量误差,起到了温度自补偿作用。压力测试也表明:该感压元件具有较低的非线性误差和迟滞误差。感压元件电极间隙通过丝网印刷的玻璃粘结层厚度来控制的,通过反复工艺试验可以有效地控制电极间隙,使得感压元件的初始容量、电容变化量和非线性都能满足后续信号处理要求,为厚膜电容式压力传感器集成化奠定基础。参考文献:1 Chang Sung p i,l M ark G.De m onstrati on for i n tegrati ng capaciti vep res sure sensors w it h rea n d out circu itry on st a i n l es s s

21、teel substrat eJ.Sen s ors and Actuators A,2004,(116:195-204. 2 Rane S B,Khanna P K,Set h T,et a.l F i ri ng and proces s i ng effectson m icrostru cture of fri tt ed s il ver th i ck fil m electrod em at eri als f orsolar cellsJ.M aterials C he m i stry and Physics,2003,(82:237-245.3 刘君华.智能传感器系统M.西

22、安:西安电子科技大学出版社,2000.36-38.4 S i m on L,D ren S L,Gonn ard P.PZT and P T screen pri n ted th i ckfil m sJ.Journa l of t he European Cera m i c Soci et y,2001,(21:1441-1444.5 Lee B Y,C hae IA,K i m J S,et a.l Lo w te m perature firi ng of PZTt h ick fil m s p repared by screen pri n ti ng m et hodJ.M a

23、teri als Lett ers,2002,(56:518-521.作者简介:唐力强(1977-,男,四川成都人,硕士研究生,研究方向为模式识别与智能系统、混合集成力敏传感器设计。(上接第35页4 结 论经过实验研究,运用多波束声纳分断面旋转扫描测试3 D正压冲固筒形桩坑坑形,满足工程要求是可行的。然而,测量精度仍然是正压冲固筒形桩基设计施工中的难点。解决这一瓶颈,声学传感器的研究应该是一个重点和难点。本系统的设计,尤其坑形仿真和桩坑体积计算算法,还存在着一些问题。在算法中,还需要考虑不同地质条件下的误差,仍需要进一步研究。参考文献:1 黄新生.滩海油田建设中桶形基础的开发和应用J.中国海洋

24、平台,1996,11(5:195-201.2 朱儒弟,刘学海,留志安.桶形基础平台安装就位智能化测控装置J.黄渤海海洋,2000,(12:24-29.3 王 虎,徐松林,王德禹.正压冲固平台单桩竖向阻抗的计算J.中国海洋平台,2004,(10:20-23.4 徐 益,颜文俊,诸 静.机器人三维图形仿真的实现J.计算机仿真,2003,(7:72-75.作者简介:丁忠军(1974-,山东陵县人,硕士,助理研究员。主要研究方向为先进传感检测技术、海洋监测与实验技术。(上接第38页数值结果能够用在设计与仿真无线A d H o c传感器网中。通过本文的结果可知,在一定区域中网络节点数目给定时,在保持网络连接时,最小所需的节点发射半径;在一定区域中网络节点的发射半径值给定时,在保持网络连接时,最少所需的节点数目。由于分析时涉及问题的一般性,那么,所有这些结果对传感器和移动无线A d H oc网都是有效的。为了计算方便,虽然本文做出了一些合理的简化与假设,但这将不会影响说明对无线A d H oc传感器网连接性问题的研究思路和方法。为了使理论研究更加接近于实际应用,下一步的工作将考虑在具体应用环境中无线A d H oc传感器网的连接性问题。参考文献:1 朱西平,方旭明,靳 蕃.