一种基于厚膜陶瓷电容的微位移传感器

1、 2010.11.122022-2-232提提 要要 一、传感器的设计一、传感器的设计 二、厚膜电容式微位移传感器的研制二、厚膜电容式微位移传感器的研制 三、信号处理电路设计与优化三、信号处理电路设计与优化 四、微位移传感器性能优化四、微位移传感器性能优化 五、微位移传感器性能检测与结果分析五、微位移传感器性能检测与结果分析 六、总结与展望六、总结与展望2022-2-233变间隙式电容传感器原理及结构示意图变间隙式电容传感器原理及结构示意图厚膜电容式微位移传感器剖面结构示意图2022-2-234微位移传感器的芯片与外形结构设计微位移传感器的芯片与外形结构设计电容芯片示意图传感器外观示意图202

2、2-2-235 2022-2-236PZT驱动2022-2-237v 设计图（部分节选）2022-2-238电容芯片的电极版图（部分节选）2022-2-2392022-2-2310 （1）两电极之间的间隙）两电极之间的间隙；（2）电极面积）电极面积 ；（3）结构材料、电极材料；）结构材料、电极材料；tE2022-2-2311（1）两电极初始间隙（） 电极半径为r, 上下电极初始间隙为0的电容传感器，其初始电容量C0为 受到PZT驱动后，式中：0=0.0885 pF/cm真空介电常数； r极板间介质的相对介电常数200rorC 2rorC 20roCr 2022-2-2312极板间距极板间距的计

3、算的计算 极板间距受工作电场强度的限制，同时需要兼顾传感器的灵敏度、线性度以及量程等因素，其一般计算式为：212wwtb c pVkVkkEE式中，Vw：工作电压（V）；Et：电容的测试电场强度； Ebcp：介质的平均瞬时耐压强度； k1：测试电场强度时的耐压安全系数，2； k2：工作场强时的耐压安全系数，1.532022-2-2313（2 2）电极面积（电极直径）电极面积（电极直径） (,)0 .0 8 8 5()SCfSp F3.8()CDcm其中：D电极直径(cm)， 为介电常数， 为电极之间的间距(cm)2022-2-2314电容芯片包括陶瓷盖板（厚）和弹性膜片，电容芯片包括陶瓷盖板（

4、厚）和弹性膜片，均选用均选用96%Al2O3陶瓷材料；陶瓷材料；电容芯片的上下电极由（电容芯片的上下电极由（Pd-Ag）导体浆料）导体浆料印刷、烧结而成，导电性能优良而且其热印刷、烧结而成，导电性能优良而且其热膨胀系数低、温度系数小；膨胀系数低、温度系数小；（3 3）结构材料、电极材料）结构材料、电极材料 2022-2-2315 提高分辨率和灵敏度：减小提高分辨率和灵敏度：减小间隙、弹弹性膜片的厚度性膜片的厚度； 线性：弹性膜片的平整度、传感器输出线性：弹性膜片的平整度、传感器输出等工艺因素；等工艺因素； 规律（结构、尺寸、工艺）；规律（结构、尺寸、工艺）；2022-2-23162022-2-

5、2317厚膜隧道烧结炉厚膜隧道烧结炉 半自动厚膜平面印刷机半自动厚膜平面印刷机 HSL-3600HSL-3600六温区隧道烧结炉六温区隧道烧结炉HZL-250HZL-250红外再流焊炉红外再流焊炉2022-2-2318v 电容芯片的输出容量小，只有几皮法或几十皮法，必须放大处理；v 高增益、低噪声放大电路设计；电路设计基本原理和架构2022-2-2319 CAV414是一款多用途处理电容式传感器信号的转换接口集成电路：Y CAV414能够检测一个被测电容和参考电容的差值；Y 可以检测从10pF到2nF的电容值，输出05V电压，满足本项目使用要求；Y 便于使用，仅需很少几个外接元件即可与CAV4

6、14组成多种用途的电容式信号转换电压输出接口电路；2022-2-23202022-2-2321ROSC1RCR2RCM3RL4LPOUT5VM6GAIN7VOUT8VCC9GND10VREF11COSC12CL213CM14CL115CR16U1CAV414R9Remv1R10Remv2R7RL2_100kR2100KR12RL3_100KR13RB_100KC4Cref_2.2uC3CoscC1CL1C5Cvm_0.1uC2CL2VCC24V12J1POWERVCC24VGNDR15Rosc2R4RcxC6CAPC8CR_BLC10CM_BLR16RCR2R17RCM2R18RL1_2R19

7、RA_2C7CRC9CMC11Cosc_blR5RCRR6RCMR8RL1R1POT2R11RA_100KR3Rosc2022-2-2322 Y右图为08版信号处理电路实物照片，采用双面布线，较厚；当时采用的容转压芯片XE-2004现已停产。2022-2-2323 Y右图为09版信号处理电路实物照片，采用CAV414容转压芯片，性能较好。2022-2-2324 Y右图为09版信号处理电路实物照片，采用厚膜工艺实现信号处理电路与电容芯片的一体化集成，性能优异。2022-2-2325X 边缘效应的消除；边缘效应的消除；X 寄生电容干扰的排除；寄生电容干扰的排除；X 温度稳定性的提高；温度稳定性的提

8、高；X 信号处理电路优化设计信号处理电路优化设计2022-2-2326传感器的非线性分析与补偿传感器的非线性分析与补偿传感器非线性产生的主要原因：传感器非线性产生的主要原因：边缘效应;寄生电容；温、湿度的干扰；2022-2-2327 当极板厚度t和间隙之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略; 边缘电场将发生畸变，使工作不稳定，非线性误差增加。2022-2-2328v边缘效应造成传感器边缘电场畸变，使工作不稳定，非线性误差增加 2016ln( )rrrhCrf h 其中； 为边缘效应因子； h为极板厚度； 为间隙2022-2-2329克服边缘效应造成传感器边缘电场畸变；克服边缘效应造成传感器边

9、缘电场畸变；增加性能稳定性，减小非线性误差。增加性能稳定性，减小非线性误差。设计保护环电路，消除边缘效应：设计保护环电路，消除边缘效应： 在上电极增加参考电极在上电极增加参考电极2022-2-2330 增设补偿电容：在结构设计时,采用带有补偿电容(保护环)的结构，为消除边缘效应的影响，； 补偿电容与测量电容同心，电气上绝缘，且间隙越小越好； 补偿电容始终保持等电位，以保证测量电容（中间工作区）始终得到均匀的电场分布。 2022-2-2331寄生电容干扰的排除寄生电容干扰的排除 传感器电容芯片的初始容量小（约传感器电容芯片的初始容量小（约20pF20pF）：）： 对寄生电容干扰敏感；易导致传感器

10、不稳定；对寄生电容干扰敏感；易导致传感器不稳定； 排除办法：排除办法：（1 1）引线加粗、变短；）引线加粗、变短；（2 2）有效接地和屏蔽；）有效接地和屏蔽；（3 3）电路板的设计、布线及其优化；）电路板的设计、布线及其优化；2022-2-2332温度和湿度改变时，会导致传感器特性的漂移； 选用温度系数小、性能稳定的结构材料；上盖板和弹性膜片由96%Al2O3陶瓷构成，热膨胀系数低、温度系数低； 测量、参考电极分别采用Pd-Ag导体浆料印刷、烧结绍而成，热膨胀系数低、温度系数低，导电性能优良 ； 增大传感器的输出； 引线设计粗短，克服寄生、分布电容引起的干扰和不稳定。 2022-2-2333

11、PCB电路板通过插针与传感器连接，接出线长，极易产生寄生电容等干扰； 采用厚膜集成技术，不用PCB电路板，将放大信号处理电路、电容数字转换芯片、补偿电路直接印烧在陶瓷盖板上； 接线短，减小引线带来的寄生电容干扰，显著提高抗干扰能力，性能稳定；2022-2-2334合肥智能所：浮球压力计等效模拟微位移测量法；沈阳自动化所：PI纳米操作台标定（PI nanoposition/scanning stages，P-517.3CD）2022-2-2335 2022-2-2336微纳操作平台传感器传感器被固定在微纳操作平台上，弹性膜片与PZT陶瓷刚性连接，PZT陶瓷受激后使弹性膜片产生形变，根据传感器信号

12、处理电路反馈的电压信号即可测量PZT陶瓷受激产生的微小位移量变化。2022-2-2337 2022-2-23382022-2-23392008型传感器随XE2004芯片停产而搁浅2009型传感器环氧树脂电路板温度性能差2010型传感器电容芯片与电路一体化集成2022-2-2340l量程: 0 2000 nm;lS = 400 nm；l非线性: 1.5%l量程: 0 250 nm;lS = 50 nm；l非线性: 3.5%2022-2-2341l量程: 0 100 nm;lS = 20 nm；l非线性: 4%l量程: 0 50 nm;lS = 10 nm；l非线性: 7%2022-2-2342l

13、量程: 0 200 nm;lS = 20 nml非线性: 0.1%l量程: 0 100 nm;lS = 10 nm；l非线性: 0.1%2022-2-2343l量程: 0 50 nm;lS = 5 nm；l非线性: 2%l量程: 0 20 nm;lS = 2 nml非线性: 4.5%2022-2-2344动态响应速度快（动态响应速度快（80Hz）；）；功耗小（功耗小（20mW）；）；灵敏度高、分辨率高（灵敏度高、分辨率高（12nm）；）；结构简单；结构简单；稳定性高；稳定性高；2022-2-234512nm2022-2-2346l限于经费、测试手段、时间等因素，和国限于经费、测试手段、时间等因

14、素，和国外相比还有一定差距：外相比还有一定差距： 分辨率能否进一步提高分辨率能否进一步提高 国外报道国外报道0.10.1纳米（纳米（德国米依、德国米依、PIPI）；）； 处理电路仍有进一步优化的空间；处理电路仍有进一步优化的空间； 相关力学分析及理论研究等科学问题；相关力学分析及理论研究等科学问题； 传感器的传感器的稳定性尚待提高；稳定性尚待提高； 应用前景的拓展应用前景的拓展；2022-2-2347 1.1.深化相关力学分析及理论研究等科学问题研究；深化相关力学分析及理论研究等科学问题研究；2.2.进一步探讨微位移测量涉及的力学及特征信息的提进一步探讨微位移测量涉及的力学及特征信息的提取研究

15、；取研究；3.3.深入开展同微纳操作深入开展同微纳操作PZTPZT驱动平台的对接试验；驱动平台的对接试验；4.4.分辨率、精度及其相关结构和工艺因素的研究，提分辨率、精度及其相关结构和工艺因素的研究，提高分辨率、精度；高分辨率、精度；5.5.理论推导周边固支圆板在分布载荷、作用于圆心的理论推导周边固支圆板在分布载荷、作用于圆心的集中力或位移等；集中力或位移等；6.6.优化结构和工艺，提高分辨率和精度，尤其膜片的优化结构和工艺，提高分辨率和精度，尤其膜片的变形、电容值等与载荷的关系；变形、电容值等与载荷的关系；7.7.开拓新的应用出口，推进科技成果转化。开拓新的应用出口，推进科技成果转化。2022-2-2348X 本报告