專利名稱：一種厚膜力敏漿料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)變式力敏傳感器用的漿料，特別涉及加工力敏傳感器應(yīng)變電阻用的漿料，確切地說(shuō)是一種低成本、高應(yīng)變系數(shù)厚膜力敏傳感器用的漿料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)作為信號(hào)檢測(cè)、信息獲取的傳感器技術(shù)日益受到國(guó)內(nèi)外的高度重視，而且已成為當(dāng)今電子信息技術(shù)發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一。其中，力敏傳感器涉及到力、壓力、加速度、液位等多種物理量信息的感知、測(cè)試和轉(zhuǎn)換，是應(yīng)用最廣、需求量和銷售量最大的傳感器品種。
目前，國(guó)內(nèi)外力敏傳感器一直以電阻應(yīng)變式為主，其中主要是金屬箔式、半導(dǎo)體硅壓阻式兩種。金屬箔式應(yīng)變計(jì)靈敏度低、應(yīng)變系數(shù)僅為2，采用應(yīng)變膠粘貼，易受溫度、濕度等環(huán)境條件影響，并隨時(shí)間老化，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，遲滯增大，傳感器性能隨時(shí)間變化；半導(dǎo)體硅壓阻式應(yīng)變系數(shù)高，然而因材料對(duì)溫度非常敏感，環(huán)境溫度影響大，工作溫度范圍窄(一般不超過(guò)60℃)，而且測(cè)量腐蝕性流體壓力需要隔離、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，使其應(yīng)用受到限制。近年來(lái)，雖有薄膜應(yīng)變式等新型力敏傳感器出現(xiàn)，但成本高、價(jià)格昂貴，難以滿足日益增長(zhǎng)的石化、冶金、工業(yè)過(guò)程控制等需求。
據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)外制作厚膜力敏傳感器的應(yīng)變電阻漿料均采用商用厚膜電阻漿料。該商用厚膜電阻漿料(包括美國(guó)杜邦公司的厚膜電阻漿料)絕大多品種主要為厚膜混合集成電路配套，應(yīng)變系數(shù)低，其應(yīng)變系數(shù)GF(Gage Factor)，通常6～7左右。有的漿料從電路可靠性、穩(wěn)定性考慮，甚至要求應(yīng)變系數(shù)低。此狀況已不能適應(yīng)厚膜力敏傳感器研究和產(chǎn)業(yè)化的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本厚膜力敏漿料是在基于氧化釕納米粉體的新型導(dǎo)電相和玻璃相的混合料中加入有機(jī)溶劑后調(diào)制得到的一種漿料。本漿料可按所設(shè)計(jì)的應(yīng)變電阻圖形，通過(guò)絲網(wǎng)直接印刷在陶瓷基片上，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后便得高應(yīng)變系數(shù)的厚膜力敏傳感器。
所述的導(dǎo)電相為釕酸鉍，玻璃相為硼硅酸鉛。本漿料由60～80wt％釕酸鉍和余量為硼硅酸鉛的混合料以及有機(jī)溶劑組成?；旌狭蟽?yōu)選釕酸鉍65～75wt％，余量為硼硅酸鉛。
將配比量的釕酸鉍和硼硅酸鉛首先通過(guò)濕研磨混合均勻，經(jīng)干燥脫去水份后加入有機(jī)溶劑攪拌均勻，投入球磨機(jī)中球磨3～6小時(shí)便得到厚膜力敏漿料。
所述的有機(jī)溶劑優(yōu)選乙基纖維素和松油醇的混合溶劑，以含3～5％乙基纖維素的混合溶劑最佳。
本漿料還可以通過(guò)摻雜改性。摻雜即摻入納米氧化物，以提高應(yīng)變系數(shù)，降低溫度系，調(diào)節(jié)或降低方阻。所述的納米氧化物優(yōu)選Al2O3、ZrO2、SiO2、MnO2等中的一種或兩種以上混合氧化物。摻入量為1～5wt％，優(yōu)選2～4wt％。
摻雜可以在制備導(dǎo)電相時(shí)摻入，同時(shí)進(jìn)行高溫固相反應(yīng)。也可以在調(diào)漿時(shí)摻入。
本厚膜力敏漿料的制備方法包括導(dǎo)電相、玻璃相的制備、混合和調(diào)漿，其關(guān)鍵是導(dǎo)電相釕酸鉍(Bi2Ru2O7)的制備。釕酸鉍由氧化釕(RuO2)納米粉體與氧化鉍(Bi2O3)通過(guò)高溫固相反應(yīng)生成的。此屬無(wú)機(jī)反應(yīng)，可定量，即2mol RuO2和1mol Bi2O3首先通過(guò)球磨以混合均勻，然后于650～800℃條件下反應(yīng)50～60分鐘生成Bi2Ru2O7。
所述的RuO2納米粉體是通過(guò)控制水合氧化釕(RuO2·H2O)的脫水溫度和時(shí)間制備的。即RuO2·H2O于400～600℃條件下脫水50～65分鐘便得到RuO2納米粉體，平均粒徑7～20nm。
玻璃相硼硅酸鉛由Pb3O4、H3BO4、SiO2、MnCO3按比例混合后球磨，然后于1300～1400℃條件下熔融，最后冷淬，干燥過(guò)400目篩。
將配比量的Bi2Ru2O7和硼硅酸鉛通過(guò)濕研磨充分混合，經(jīng)干燥脫水后得到混合料。向該混合料中加入有機(jī)溶劑攪勻后于球磨機(jī)中球磨3～6小時(shí)便得到厚膜力敏漿料。
本漿料可制備應(yīng)變系數(shù)高、性能穩(wěn)定、耐腐蝕、工作溫度范圍寬、蠕變小的厚膜力敏傳感器。按所設(shè)計(jì)的圖形(導(dǎo)帶為鈀銀)將漿料印刷在陶瓷基片上，平放15分鐘，紅外燈下烘30分鐘。然后在峰值溫度750～850℃下燒結(jié)10～45分鐘。通過(guò)高溫?zé)Y(jié)，由厚膜力敏漿料形成的厚膜應(yīng)變壓阻和陶瓷彈性牢固地成為一體。長(zhǎng)期載荷下，其應(yīng)變電阻和彈性膜片的應(yīng)變保護(hù)一致，避免了常用應(yīng)變式傳感器因膠粘貼應(yīng)變電阻所引起蠕變、遲滯。
用本漿料制備的應(yīng)變電阻應(yīng)變系數(shù)GF為13～17，溫度系數(shù)TCR≤±100ppm/℃，比擴(kuò)散硅應(yīng)變電阻小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)研制的應(yīng)變式厚膜力敏傳感器，耐腐蝕、耐高溫，工作溫度范圍寬、蠕變小，長(zhǎng)期工作無(wú)塑性變形。不用隔離，彈性體可直接和腐蝕性酸、堿等氣(液)體接觸，在工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制、機(jī)電一體化等領(lǐng)域有著廣闊的市場(chǎng)前景。
四、附圖簡(jiǎn)明

圖1是本傳感器應(yīng)變電阻阻值與載荷的關(guān)系2是RuO2納米粉體的粒徑分布圖。
五具體實(shí)施例方式
1、RuO2納米粉體的制備稱取水合氧化釕(RuO2·H2O)放入鎳舟內(nèi)，然后置于高溫爐中緩慢升溫，在400～600℃范圍內(nèi)保溫50～65分鐘，冷卻后出料便得到7～20nm的RuO2納米粉體。
2、導(dǎo)電相Bi2Ru2O7的制備按2∶1摩爾比稱取RuO2和Bi2O3投入研缽中研磨混合，然后用得星式球磨機(jī)球磨3～4小時(shí)，最后傾入石英舟內(nèi)置高溫爐中，緩慢升溫，于650～800℃條件固相反應(yīng)50～60分鐘。
3、玻璃相硼硅酸鉛的制備取Pb3O4、H3BO4、SiO2、MnCO3，依次按65％、14％、18～19％、1～3％(重量百分比)配比量稱量，投入研缽中混合，并用行星式球磨機(jī)球磨1～2小時(shí)。出料移至坩堝內(nèi)置高溫爐中，于1350℃時(shí)熔融并保持20～30分鐘，將熔融的玻璃料倒入冷水中冷淬，分離后干燥，過(guò)400目篩備用。
4、厚膜力敏漿料的制備(1)取60份Bi2Ru2O7和40份硼硅酸鉛，加適量水于研缽中濕研磨2小時(shí)，干燥脫水后加入乙基纖維素和松油醇混合溶劑，用玻棒攪勻后投入行星式球磨機(jī)中，球磨3～6小時(shí)，即得到厚膜力敏漿料。
(2)取80份Bi2Ru2O7和20份硼硅酸鉛，用含3％乙基纖維素、余為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(3)取65份Bi2Ru2O7和35份硼硅酸鉛，用含5％乙基纖維素、余為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(4)取75份Bi2Ru2O7和25份硼硅酸鉛，用含4％乙基纖維素、余為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(5)取68份Bi2Ru2O7和32份硼硅酸鉛，用含4％乙基纖維素，余為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(6)、取72份Bi2Ru2O7和28份硼硅酸鉛，用含4％乙基纖維素，余為松油醇的混合溶劑，操作同例(1)。
(7)、在上述例(1)～(6)中可以加入2～4％的Al2O3或/和ZrO2或/和SiO2或/和MnO2等，操作相同。
5、高應(yīng)變系數(shù)力敏傳感器的制備以96％的Al2O3基片為例，先按要求在陶瓷基片上設(shè)計(jì)圖形(鈀銀為導(dǎo)帶)，將例(1)～例(6)所得到的漿料印刷在陶瓷基片上，平放15分鐘后于紅外燈下烘半小時(shí)，然后入高溫爐中，于750～850℃條件下燒結(jié)10～45分鐘，即得到GF為13～17、TCR≤100ppm/℃的厚膜力敏傳感器。
權(quán)利要求
1.一種厚膜力敏漿料，其特征在于本漿料由60～80wt％釕酸鉍和余量為硼硅酸鉛的混合料以及有機(jī)溶劑所組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚膜力敏漿料，其特征在于所述的混合料由65～75wt％釕酸鉍和余量為硼硅酸鉛所組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚膜力敏漿料，其特征在于所述的有機(jī)溶劑為乙基纖維素和松油醇的混合溶劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的厚膜力敏漿料，其特征在于所述的混合溶劑為含3～5wt％乙基纖維素的混合溶劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚膜力敏漿料，其特征在于所述的漿料中含有1～5wt％的納米氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的厚膜力敏漿料，其特征在于所述的氧化物選自Al2O3、ZrO2、SiO2、MnO2中的一種或兩種以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的厚膜力敏漿料，其特征在于氧化物摻入量為2～4wt％。
8.由權(quán)利要求1所述的一種厚膜力敏漿料的制備方法，包括導(dǎo)電相、玻璃相的制備、混合和調(diào)漿，其特征在于所述的導(dǎo)電相釕酸鉍由氧化釕納米粉體與氧化鉍經(jīng)混合均勻后于650～800℃條件下反應(yīng)50～60分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于所述的氧化釕納米粉體是水合氧化釕于400～600℃條件下脫水50～60分鐘，粉體平均粒徑7～20nm。
全文摘要
一種厚膜力敏漿料由60～80％釕酸鉍和20～40％硼硅酸鉛混合料中加入有機(jī)溶劑調(diào)制得到的漿料。釕酸鉍由氧化釕納米粉體與氧化鉍于650～800℃固相反應(yīng)生成。氧化釕納米粉體由水合氧化釕于400～600℃下脫水生成。本漿料可印刷在陶瓷基片上，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)后得到高應(yīng)變系數(shù)的厚膜力敏傳感器。應(yīng)變系數(shù)GF為13～17、溫度系數(shù)TCR≤±100ppm/℃。耐腐蝕、耐高溫，工作溫度范圍寬、蠕變小，長(zhǎng)期工作無(wú)塑性變形。不用隔離，彈性體可直接和腐蝕性酸、堿等氣(液)體接觸，在工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制、機(jī)電一體化有著廣闊的市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)C09D5/24GK1805155SQ200510122889
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月3日
發(fā)明者馬以武, ?；勖? 李民強(qiáng), 陳建群 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院