專利名稱：陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于壓力檢測技術領域，特別涉及一種陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器。
現有技術中用于檢測壓力的傳感器，主要有電阻應變片式、硅擴散片式、壓電式、電感式、電容式等形式的壓力傳感器。這些傳感器各有利弊，它們的缺點主要有線性差、重復性差，滯后、蠕變嚴重，反應速度慢，溫度穩定性不好，抗沖擊、抗過壓能力差；或測量范圍小；或溫度和時間穩定性較差，而且體積較大。
目前已有幾個改進方案，例如，ZL87209178公開了一種耐高溫抗振型電容壓力傳感器，包括一個由75氧化鋁陶瓷材料制成的基座和一個由95氧化鋁陶瓷材料制成的膜片，基座和膜片分別制備一對銀電極，上述基座和膜片之間用云母片隔開并用鉛玻璃固定在一起形成一介質腔，構成壓力傳感器。
US4388668公開了一種電容壓力傳感器，包括由陶瓷材料制成的一個基座和一個膜片，基座和膜片分別制備一個金屬電極，上述基座和膜片之間用玻璃隔離層隔開并固定在一起形成一介質腔，構成壓力傳感器。
US4531415公開了一種電容差壓傳感器，包括由陶瓷材料制成的一個基座和兩個膜片，基座兩面和膜片的一面分別制備一個金屬電極，上述基座和膜片之間用玻璃隔離層隔開并固定在一起形成兩個介質腔，構成差壓傳感器。
中國專利申請95103518.5公開了一種電容壓力傳感器或差壓傳感器，對上述美國專利進行了改進，在陶瓷基座的電極上覆蓋了一層高溫玻璃絕緣層防止電極短路。
ZL87209178存在如下不足1．基座和膜片的材料熱膨脹系數不一致，難以保證傳感器封接的可靠性和測量的穩定性；2．銀電極表面粗糙、難以形成表面平整光滑的電極層，給后工序加工帶來難度，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。
3．用云母片來控制電容間隙有一定工藝難度。
中國專利申請95103518.5公開的電容壓力傳感器，由于系周邊支撐圓盤結構單電容，未能解決當大壓力時，由于邊緣效應，存在的較大的非線性；傳感器本身不帶處理電路，由于分布電容的影響，難于遠距離使用；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。
中國專利申請95103518.5公開的電容壓力傳感器或差壓傳感器，采用同一種的原始玻璃材料加工絕緣層和其邊緣層厚度增加的隔離層，及加熱密封的工藝，較難控制。上述壓力傳感器和壓差傳感器的改進型另加一層用陶瓷或高溫玻璃制備的可磨削加工的絕緣層，并在其上制備隔離層構方法，除增加了介質厚度使傳感器電容量變小，增加了加工難度外，其意義不大。
本發明的目的是提供一種蠕變小，反應速度快，溫度穩定性好，耐腐蝕，抗干擾和抗過載，精度高的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器。
具體技術方案為設計一種陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，包括基座、膜片和分別設置在基座及膜片上的電極，其特征在于基座和膜片用同一種陶瓷材料制作，基座上設置通氣孔，基座與膜片的對應面上分別設置電極，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊均用無機材料設置一圈凸臺，凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封，電極分別從基座上的金屬化小孔或基座側壁上的金屬化溝槽內引出。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其電極采用導電金薄膜，電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其基座與膜片的組合可以是一個基座和一片膜片的組合，也可以是一個基座和兩片膜片的組合，或是兩個基座和一片膜片的組合。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于基座和兩片膜片的組合中，基座的中間至少有一個小孔連通兩介質腔，其中一個孔與側面的排氣孔連通，基座居中與膜片對應的兩平行表面分別設置雙電極，膜片與基座對應的面上設置單電極，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊分別用無機材料各設置一圈凸臺，凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封為兩個介質腔，構成兩組四個電容器，電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于在基座中心有多個小孔，其中一個孔與側面的排氣孔連通，居中的基座與膜片對應的兩平行表面分別設置單電極，兩片膜片與基座對應的面上分別設置單電極，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊分別用無機材料各設置一圈凸臺，凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封為兩個介質腔，電極分別從基座側壁上的金屬化溝槽引出。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其兩個介質腔均充填硅油。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于在兩個基座中心至少各有一個兼作通氣和壓力信號輸入口的小孔，兩個基座與膜片對應的面上設置單電極，居中的一片膜片兩面與基座對應的面上分別設置單電極，電極采用導電金薄膜材質，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊分別用無機材料各設置一圈凸臺，凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封為兩個介質腔，電極分別用基座側壁上的金屬化溝槽引出。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
上述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其兩個介質腔內均充填硅油。
本發明與現有技術相比，具有1．采用增韌的微晶氧化鋁陶瓷制造壓力傳感器，解決了普通氧化鋁陶瓷強度低、表面粗糙，不適合壓力傳感器加工的問題，由于陶瓷材料韌性的提高，膜片的力學敏感性大為提高，傳感器采用非充液干式設計，使傳感器的加工精度大大提高，蠕變特性大大改善；2．傳感器基座和膜片全部采用同一種陶瓷材料制備，絕緣膜、介質腔凸臺、密封材料全部選用與陶瓷體熱膨脹系數相近的不同的材料，并采用不同的工藝制造，解決了陶瓷壓力傳感器的封接質量差、熱穩定性不好的問題；本實用新型傳感器介質腔厚度低于100μm，因而抗沖擊、抗過壓能力較強；3．采用金薄膜電極，解決了傳感器電極易氧化、耐腐蝕性差的問題；
4．采用雙電容修正和電路修正兩級方案，解決了壓力傳感器由于邊緣效應造成的非線性大的問題；5．給壓力傳感器增加一通氣口，改善了封接質量；并有加管口的改型設計，使其適合于測量相對壓力和某些特定的條件下(例如非腐蝕性氣體)測量壓差使用；6．壓力傳感器采用雙膜片改型設計，使其適合于測量微壓；7．為壓力傳感器配備了一體化的處理電路，該電路同時具有信號轉換、放大、溫度補償、線性修正、零點量程調節等功能。將隨壓力變化的測量電容與參照電容量的差值信號轉變為電壓、電流信號后輸出，抗干擾能力強、可以遠距離傳輸；8．差壓傳感器的雙膜片設計，可以在高靜壓下測量壓差；9．差壓傳感器的單膜片改型設計，采用非充液干式設計，體積大大縮小、穩定性明顯改善。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步闡述
圖1是本實用新型一個實施例中所示的一種陶瓷壓力傳感器的結構示意圖；圖2是圖1中的電極在基座上布置形態舉例示意圖；圖3是圖1中的電極在膜片上布置形態舉例示意圖；圖4是另一個實施例中所示的一種帶通氣管口的陶瓷壓力傳感器的結構示意圖；圖5是圖4中的電極在基座上布置形態舉例示意圖；圖6是另一個實施例中所示的一種測量微壓的陶瓷壓力傳感器的結構示意圖；圖7是另一個實施例中所示的一種雙膜片陶瓷差壓傳感器的結構示意圖；圖8是另一個實施例中所示的一種單膜片陶瓷差壓傳感器的結構示意圖。
實施例一圖1所示的實施例中陶瓷壓力傳感器包括一塊基座1和一片膜片2，它們全部用同一種陶瓷材料制造，基座上的電極是雙電極3、4，膜片上的電極是單電極5，電極全部用金導電薄膜制造，電極3、4和5的上面分別覆蓋無機材料絕緣層6和6’，陶瓷基座1和膜片2的周邊分別用無機材料制備一圈凸臺7和7’，所述的無機材料使用硼鋁硅玻璃，中間用封接玻璃層8密封為一介質腔，構成一組電容。電極3、4和5分別從基座1上金屬化的小孔9引出，在基座1的背后有一排氣孔10用于密封時排氣，壓力作用于膜片上，隨壓力變化電容值發生變化，當測量相對壓力時小孔可作為環境壓力的通孔，測量絕對壓力時可將該小孔在真空下封死。
當壓力加大時電容器的電容量變大，將電容量信號轉換為電壓、電流信號后輸出。經信號處理后的傳感器抗干擾能力及穩定性都大大提高，可直接裝殼遠距離傳輸采樣、測量。
傳感器基座和膜片采用同一種陶瓷材料制備，機械強度高、彈性模量大、微觀結晶粒度細小均勻；電極采用成膜連續、膜層細膩光滑、與陶瓷體結合牢度高、導電良好的金電極材料制備，可解決電極易氧化、耐腐蝕差的問題。
壓力傳感器采用雙電容設計，兩電容靜態電容量相等，可以減少溫度的影響，同時，其一電容為測量電容隨壓力變化；另一電容為參照電容隨壓力稍有變化，測量電容的非線性量變化量與參照電容的總變化量相近，取其差值信號通過處理電路進行兩級線性修正。
絕緣膜除須絕緣外還應耐高溫，可采用真空濺射、氣相沉積、高溫燒結無機材料薄膜制作。
介質腔凸臺決定電容量的大小和傳感器的穩定性，必須采用與傳感器陶瓷體熱膨脹系數相近的零力學滯后材料制造，本發明傳感器介質腔厚度低于100μm，因而抗沖擊、抗過壓能力較高；因傳感器系采用封接玻璃密封，為保證封接過程中氣體和揮發物的排出，基座上設置一小孔，該小孔可作為測量相對壓力時的環境通孔，當測量絕對壓力時可將該小孔在真空下封死。
本實用新型把一專用的處理電路與傳感器結合在一起，該電路可采用充放電式電路，也可采用脈沖調寬式電路，將隨壓力變化的測量電容與參照電容量的差值信號轉變為電壓、電流信號后輸出。該電路同時具有信號轉換、放大、溫度補償、線性修正、零點量程調節等功能。
實施例二圖4所示的實施例中，設置情況基本與例一同，但電極3、4和5分別從基座1側面金屬化的溝槽9引出，在基座1的背后有一管口10用于密封時排氣，壓力作用于膜片上，隨壓力變化電容值發生變化，將電容信號用處理電路11轉換為電壓信號后輸出，當測量相對壓力時小孔可作為的環境壓力的通孔，某些特定的條件下(例如非腐蝕性氣體)可測量差壓。所述的無機材料使用鉛硅鋁玻璃。
可將陶瓷基座上的排氣小孔改為變徑的大孔或管口，以方便測量相對壓力時的環境壓力的引入。
實施例三圖6所示的實施例中，設置情況基本與例一同，但基座與膜片間用封接玻璃層密封為兩個腔體，構成兩組四個電容器，兩組電容的測量電容并聯、參照電容也并聯，電極分別從基座1側面上金屬化的溝槽引出，在基座1的中間至少有一個連通孔11用于連通兩腔體，其中一個連通孔與側面的統一的排氣孔10連通，用于密封時排氣，使用時將其裝入密封環12和外殼13、14上，壓力通過連通管道15同時施加在兩片膜片2和2’上，隨壓力變化電容值發生變化，可用來測量微壓力。所述的無機材料使用硅硼鉛玻璃。
可將陶瓷基座兩面各制備上兩對電極，然后按上述工藝制備絕緣膜、凸臺，同時密封上兩片同樣制備好的膜片，兩組電容的測量電容并聯、參照電容也并聯，同一的通氣孔在陶瓷基座的側壁上，使用時將壓力同時施加在兩片膜片上，可用來測量微壓力。
實施例四圖7所示的實施例中陶瓷差壓傳感器包括一塊基座1和兩片膜片2、2’它們全部用同一的陶瓷材料制造，基座上的兩面分別制作電極3和電極4，兩片膜片上的電極分別是電極5和5’，電極全部用金導電薄膜制造，電極3、4和5、5’的上面分別覆蓋無機材料絕緣層6和6’，陶瓷基座1兩面的周邊和兩片膜片2的周邊分別用無機材料制備一圈凸臺7和7’，所述的無機材料使用硼鋁硅玻璃，中間用封接玻璃層8和8’密封為兩個腔體，形成兩個電容。電極3、4和5、5’分別用基座1上金屬化的溝槽引出，在基座1的中心至少有一個連通孔11，其中一個孔與側面的排氣孔10連通，用于密封時排氣，當密封完成后，從該小孔灌充硅油然后封死。測量時其中一個膜片接觸高壓力，另一個膜片接觸低壓力，硅油作為壓力傳導介質，當兩膜片兩邊的壓力不同時，壓力大的一邊電容器電容量變大，壓力小的一邊電容器電容量變小，構成了一種陶瓷差壓傳感器，將傳感器電容量的差值信號經處理可以得出壓差信號。
本陶瓷電容式差壓傳感器采用與陶瓷壓力傳感器相同的材料和工藝進行加工，通過側壁的通氣孔和連通孔向兩個介質腔中充填硅油，形成兩個以硅油為介質的電容器，硅油同時又是力的傳導介質，當兩膜片的兩邊的壓力不同時，壓力大的一邊電容器電容量變大，壓力小的一邊電容器電容量變小，構成了一種陶瓷電容式差壓傳感器，將傳感器電容量的差值信號經處理可以得出壓差信號。
實施例五圖8所示的實施例中，陶瓷差壓傳感器包括一片膜片2和兩塊基座1、1’，它們全部用同一種陶瓷材料制造，兩塊基座上的一面分別制作電極5和電極5’，一片膜片的兩面分別制作電極3和3’，電極全部用金導電薄膜制造，電極3、3’和5、5’的上面分別覆蓋無機材料絕緣層6和6’，兩塊陶瓷基座1、1’的一面的周邊和一片膜片2的兩面的周邊分別用無機材料制備一圈凸臺7、7’，所述的無機材料使用鉛硅鋁玻璃，中間用封接玻璃層8、8’密封為兩個腔體，形成兩個電容。電極3、3’和5、5’分別從基座上金屬化的溝槽引出，在兩塊基座的中心設置小孔11、11’，用于密封時排氣，當密封完成后，該小孔同時作為壓力信號輸入口，測量時其中一個膜片接觸高壓力，另一個膜片接觸低壓力，不用硅油作為壓力傳導介質，當兩膜片的兩邊的壓力不同時，壓力大的一邊電容器電容量變大，壓力小的一邊電容器電容量變小，構成了一種陶瓷差壓傳感器，將傳感器電容量的差值信號經處理可以得出壓差信號。本傳感器也可通過隔離膜密封后再填充硅油后使用。
木陶瓷電容式差壓傳感器采用與陶瓷壓力傳感器相同的材料和工藝進行加工，兩個介質腔中不充填硅油，形成兩個以被測量介質為介質的電容器，當兩膜片兩邊的壓力不同時，壓力大的一邊電容器電容量變大，壓力小的一邊電容器電容量變小，構成了一種陶瓷電容式差壓傳感器，將傳感器電容量的差值信號經處理得出壓差信號。但此差壓傳感器不能測量導電介質和腐蝕性介質，而且必須針對進行不同測量介質進行標定。本傳感器也可通過隔離膜密封再填充硅油后使用。
權利要求1．一種陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，包括基座、膜片和分別設置在基座及膜片上的電極，其特征在于基座和膜片用同一種陶瓷材料制作，基座上設置通氣孔，基座與膜片的對應面上分別設置電極，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊均用無機材料設置一圈凸臺，凸臺的對應面中用封接玻璃層密封，電極分別從基座上的金屬化小孔或基座側壁上的金屬化溝槽內引出。
2．一種按照權利要求1所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于電極采用導電金薄膜，電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
3．一種按照權利要求1所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于基座與膜片的組合可以是一個基座和一片膜片的組合，也可以是一個基座和兩片膜片的組合或兩個基座和一片膜片的組合。
4．一種按照權利要求3所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于一個基座和兩片膜片的組合中，基座的中間至少有一個小孔連通兩介質腔，其中一個孔與側面的排氣孔連通，基座居中與膜片對應的兩平行表面分別設置雙電極，膜片與基座對應的面上設置單電極，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊分別用無機材料各設置一圈凸臺，凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封為兩個介質腔，構成兩組四個電容器，電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
5．一種按照權利要求1所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于在基座中心有多個小孔，其中一個孔與側面的排氣孔連通，居中的基座與膜片對應的兩平行表面分別設置單電極，兩片膜片與基座對應的面土分別設置單電極，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊分別用無機材料各設置一圈凸臺，凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封為兩個介質腔，電極分別從基座側壁上的金屬化溝槽引出。
6．一種按照權利要求5所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
7．一種按照權利要求5所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于兩個介質腔內均充填硅油。
8．一種按照權利要求1所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于在兩個基座中心至少各有一個兼作通氣和壓力信號輸入口的小孔，兩個基座與膜片對應的面上設置單電極，居中的一片膜片兩面與基座對應的面上分別設置單電極，電極采用導電金薄膜材質，電極表面覆蓋無機材料的絕緣層，陶瓷基座和膜片的周邊分別用無機材料各設置一圈凸臺，凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封為兩個介質腔，電極分別從基座側壁上的金屬化溝槽引出。
9．一種按照權利要求8所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于電極引出線與位于基座上的專用處理電路連接。
10．一種按照權利要求8所述的陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器，其特征在于兩個介質腔內均充填硅油。
專利摘要一種陶瓷壓力傳感器及差壓傳感器,其基座和膜片用同種陶瓷材料制作,基座上設通氣孔,基座與膜片的對應面分別設表面覆蓋無機材料絕緣層的電極,基座和膜片的周邊均用無機材料設置一圈凸臺,凸臺的對應面中間用封接玻璃層密封。電極采用金薄膜,其引出線從基座上的金屬化小孔或基座側壁上的金屬化溝槽內引出,與位于基座上的專用處理電路連接。蠕變小,反應速度快,溫度穩定性好,耐腐蝕,抗干擾和抗過載,精度高。
文檔編號G01N27/22GK2433624SQ00215518
公開日2001年6月6日 申請日期2000年7月17日 優先權日2000年7月17日
發明者李士忠, 石汝軍, 李巖, 翟鵬, 孫洪方, 郭益平, 王成禮, 鄭麗娟 申請人:山東省硅酸鹽研究設計院