高Ｑ值大相对变化量电容压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于无线无源测量的电容压力传感器，由周边固支的弹性振动膜片组成电容器，通过调整圆形电极与振动膜片半径之比、设置绝缘凸点等手段，使振动膜片处于大应变状态，最大电容与初始电容之比尽可能大，从而使电容达到大相对变化量、高Ｑ值的目的。本发明专利技术的高Ｑ值和大相对电容变化量的电容压力传感器与声表面波变送器连接后，可以实现对压力的高精度无线无源测量，该传感器可用于汽车轮胎压力监测领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压力监测
，特别涉及一种适应于无源无线传感的压力传感 器，尤其是变极距电容式压力传感器。技术背景以无源无线方式工作的传感器适应于恶劣的工作环境，如高温、重污染、强干扰 等，以及旋转和移动物体上不适合连线和电池提供能量的情况下的各种物理、化学或生物 量的测量。现有技术中以无源无线方式工作的传感器主要有两种LC谐振式和SAW(声表 面波)式。前者一般采用电容式传感器，以谐振频率为测量量，以电感耦合方式实现能量和 信息传递，适应较短的工作距离。后者利用SAW元件(包括谐振器和延迟线)体积小、重量轻、工作频率高、插入损 耗小等特征，既可以SAW元件本身为传感元，也可以SAW元件为传输通道和传统阻抗传感器 一起实现无源无线传感。SAW元件与传统阻抗传感器的结合可以使传统阻抗传感器能够以 无源无线方式工作实现较远距离的数据传输，又可以扩展SAW传感器的应用领域。基于SAW元件的无源无线传感器对阻抗负载传感器的要求包括两项一是品质因 数高，二是其值，如电容，有较大的相对变化量。中国专利文献CN1127354A公开了一种电容压力或差压传感器，包括由陶瓷材料 制成的基底，在其一面设有一个电极和一个由原始玻璃材料制成的玻璃层；一个由陶瓷材 料制的膜片，被起隔离层作用的原始玻璃原料连接到和压力密封到基底上，隔离层把膜片 及基底固定成隔开一段距离形成一腔。该专利技术专利用于解决电容压力传感器的短路问题。中国专利文献CN1334451A公开了一种陶瓷压力传感器及差压传感器，其基座和 膜片用同种陶瓷材料制作，基座上设置气孔，基座与膜片的对应面分别设表面覆盖无机材 料绝缘层的电极，基座和膜片的周边均用无机材料设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封 接玻璃层密封。其中覆盖电极的绝缘层起防短路和过载的作用。上述专利文献都在电极上覆盖绝缘材料层解决电极短路的问题，但是也产生了在 外部压力作用下，振动膜发生的形变减小的问题，即绝缘层的存在增大了振动膜的厚度，使 相同外力作用下形变减小。另外，上述专利文献中都没有关注电容的相对变化量以及Q值的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的不仅在于提供一种蠕变小、反应快、温度稳定性好、耐腐蚀、抗干扰、 抗过载、精度高的陶瓷电容压力传感器，而且在于提供一种有较高的Q值和较大的相对电 容变化量的陶瓷电容压力传感器。本专利技术提供的陶瓷电容压力传感器包括圆形弹性振动膜片、封接圆环、绝缘材料 凸点、圆形金属膜电极、电极内金属膜引出线和外金属膜电极。本专利技术由周边固支的弹性振动膜片组成电容器，通过调整圆形电极与振动膜片半径之比、设置绝缘凸点等手段，使振动膜片处于大应变状态(最小间距与初始间距比值小 于0. 99)，最大电容与初始电容之比尽可能大，从而使电容达到大相对变化量的目的。为实现本专利技术的目的所采用的具体技术方案为一种电容压力传感器，包括两片圆形弹性振动膜片、封接材料制作的圆环、两圆形 金属膜电极、电极内金属膜引出线和外金属膜电极，所述两圆形弹性振动膜片外缘通过所 述封接材料制作的圆环粘结在一起，形成内部有空腔、周边固支的弹性膜，所述两圆形金属 膜电极分别设置于两片圆形弹性振动膜片内侧面上，所述电极内金属膜引出线埋在封接材 料制作的圆环中间，用于连接圆形金属膜电极和外金属膜电极，所述外金属膜电极一端设 置在所述封接材料制作的圆环上，与电极内金属膜引出线相连，另一端露出作为整个传感 器的引出线，其特征在于，所述的金属膜圆形电极的半径小于圆形弹性振动膜片的半径，使 所述传感器能够工作在大应变状态下，另外，所述电容压力传感器还包括多个绝缘材料凸 点，其均勻布置在两片圆形弹性振动膜片之一和/或圆形金属膜电极上，用于防电极短路 和起过载保护的作用。作为本专利技术的进一步改进，所述的圆形弹性振动膜片的材料为氧化铝陶瓷。作为本专利技术的进一步改进，所述的封接材料为低温玻璃。所述绝缘材料制成的凸点起防电极短路和过载保护的作用。由于是离散分布的若 干个点，其对振动膜应变的影响较之绝缘层来讲可以忽略不计，克服了前述专利中采用覆 盖电极的绝缘层对振动膜形变带来的影响。陶瓷电容压力传感器的电容电极和内外引线都由厚膜工艺制作，如丝网印刷技术 和金属膜压延技术(如12微米厚度的压延铜箔)等；内引线和外引线间以无焊料方式焊 接，如超声金属焊接。宽厚的膜和牢固的无焊剂结合平面既保证了电容可以有较高的品质 因数Q，也为丝网印刷封接层等后序工序提供了便利。上述技术方案可以获得对振动膜应变影响小的短路和过载保护措施，同时得到较 高的品质因数和较大的相对电容变化量，适应基于SAW元件的无源无线传感系统的需求。附图说明图1为双振动膜结构受力示意图；图2为电容压力传感器的最大电容与初始电容间的关系；图3为本专利技术的侧视图；图4为图3的俯视图；图3、4中的相同标号表示传感器的同一个部位。标号对应部位名称分别为1圆形弹性振动膜片2圆形弹性振动膜片或基底3,4封接材料制作的圆环5，6圆形金属膜电极7,8电极内金属膜引出线9，10外金属膜电极11绝缘材料凸点具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术的电容压力传感器包括圆形弹性振动膜片1、圆形弹性振动膜片或基底2、 封接材料制作的圆环3和4、圆形金属膜电极5和6、电极内金属膜引出线7和8、外金属膜 电极9和10，以及多个绝缘材料凸点11所述的圆形弹性振动膜片1，圆形弹性振动膜片或基底2采用键合工艺使其边缘 粘结于封接圆环3、4之上，组成周边固支的弹性膜，作为检测压力的形变部件。振动膜片材 料包括但不限于氧化铝陶瓷。所述封接材料制作的圆环3和4处于圆形弹性振动膜片1、2之间，用于固定振动 膜片1、2的边缘。封接材料包括但不限于低温玻璃。所述圆形金属膜电极5设置在圆形弹性振动膜片1内侧，圆形金属膜电极6设置 在圆形弹性振动膜片或基底2内侧，用于电容器的电极，其中所述金属膜圆形电极的半径 小于圆形弹性振动膜片半径。所述电极内金属膜引出线7和8制作时烧结前埋在封接材料制作的圆环3、4中 间，用于连接圆形金属膜电极5、6和外金属膜电极9、10。电极内金属膜引出线7、8采用厚 金属膜制作。所述外金属膜电极9和10 —端设置在封接材料制作的圆环3、4中间与电极内金 属膜引出线7、8相连，另一端露出作为整个传感器的引出线。所述多个绝缘材料凸点11设置在两个圆形弹性振动膜片之一或起支撑作用的圆 形金属膜电极上。所述绝缘材料制成的凸点(图3、4)起防电极短路和过载保护的作用。由 于是离散分布的若干个点，其对振动膜应变的影响较之绝缘层来讲可以忽略不计，克服了 采用覆盖电极的绝缘层对振动膜形变带来的影响。当外部压力变化时，圆形弹性振动膜片1和圆形弹性振动膜片或基底2发生形变， 由于其两端均固定在封接材料制作的圆环3和4上，因此中间部分发生形变最大，形变随远 离振动膜片中心而减小，至固定的边沿减小至零。圆形弹性振动膜片1和圆形弹性振动膜 片或基底2处于大形变量工作状态，这样可以获得较大的电容相对变化量，从而使传感器 的测量范围扩大。设置的绝缘材料凸点11可以起到防止振动膜片1、2过度变形或接触使 电极短路的作用。随着1、2的形变，附着在1、2上的圆形金属膜电极5和6间距也发生了 改变，因此它们之间的电容也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容压力传感器，包括两片圆形弹性振动膜片（１，２）、封接材料制作的圆环（３，４）、两圆形金属膜电极（５，６）、电极内金属膜引出线（７，８）和外金属膜电极（９，１０），所述两圆形弹性振动膜片（１，２）外缘通过所述封接材料制作的圆环（３，４）粘结在一起，形成内部有空腔、周边固支的弹性膜，所述两圆形金属膜电极（５，６）分别贴于两片圆形弹性振动膜片（１，２）相对置的内侧面上，所述电极内金属膜引出线（７，８）一端埋在封接材料制作的圆环（３，４）中，另一端与圆形金属膜电极（５，６）接触连接，所述外金属膜电极（９，１０）一端设置在所述封接材料制作的圆环（３，４）上，与电极内金属膜引出线（７，８）相连，另一端露出作为整个传感器的引出线，其特征在于：所述的金属膜圆形电极（５，６）的半径小于圆形弹性振动膜片（１，２）的半径，使所述传感器能够工作在大应变状态下；所述电容压力传感器还具有多个绝缘材料凸点（１１），其均匀布置在两片圆形弹性振动膜片（１，２）之一和／或圆形金属膜电极（５，６）上，用于防电极短路和起过载保护的作用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周东祥，傅邱云，龚树萍，罗为，郑志平，赵俊，王建玲，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]