專利名稱：高q值大相對變化量電容壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓力監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適應(yīng)于無源無線傳感的壓力傳感 器，尤其是變極距電容式壓力傳感器。技術(shù)背景以無源無線方式工作的傳感器適應(yīng)于惡劣的工作環(huán)境，如高溫、重污染、強干擾 等，以及旋轉(zhuǎn)和移動物體上不適合連線和電池提供能量的情況下的各種物理、化學(xué)或生物 量的測量?，F(xiàn)有技術(shù)中以無源無線方式工作的傳感器主要有兩種LC諧振式和SAW(聲表 面波)式。前者一般采用電容式傳感器，以諧振頻率為測量量，以電感耦合方式實現(xiàn)能量和 信息傳遞，適應(yīng)較短的工作距離。后者利用SAW元件(包括諧振器和延遲線)體積小、重量輕、工作頻率高、插入損 耗小等特征，既可以SAW元件本身為傳感元，也可以SAW元件為傳輸通道和傳統(tǒng)阻抗傳感器 一起實現(xiàn)無源無線傳感。SAW元件與傳統(tǒng)阻抗傳感器的結(jié)合可以使傳統(tǒng)阻抗傳感器能夠以 無源無線方式工作實現(xiàn)較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，又可以擴展SAW傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。基于SAW元件的無源無線傳感器對阻抗負載傳感器的要求包括兩項一是品質(zhì)因 數(shù)高，二是其值，如電容，有較大的相對變化量。中國專利文獻CN1127354A公開了一種電容壓力或差壓傳感器，包括由陶瓷材料 制成的基底，在其一面設(shè)有一個電極和一個由原始玻璃材料制成的玻璃層；一個由陶瓷材 料制的膜片，被起隔離層作用的原始玻璃原料連接到和壓力密封到基底上，隔離層把膜片 及基底固定成隔開一段距離形成一腔。該發(fā)明專利用于解決電容壓力傳感器的短路問題。中國專利文獻CN1334451A公開了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(shè)置氣孔，基座與膜片的對應(yīng)面分別設(shè)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(shè)置一圈凸臺，凸臺的對應(yīng)面中間用封 接玻璃層密封。其中覆蓋電極的絕緣層起防短路和過載的作用。上述專利文獻都在電極上覆蓋絕緣材料層解決電極短路的問題，但是也產(chǎn)生了在 外部壓力作用下，振動膜發(fā)生的形變減小的問題，即絕緣層的存在增大了振動膜的厚度，使 相同外力作用下形變減小。另外，上述專利文獻中都沒有關(guān)注電容的相對變化量以及Q值的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的不僅在于提供一種蠕變小、反應(yīng)快、溫度穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗干擾、 抗過載、精度高的陶瓷電容壓力傳感器，而且在于提供一種有較高的Q值和較大的相對電 容變化量的陶瓷電容壓力傳感器。本發(fā)明提供的陶瓷電容壓力傳感器包括圓形彈性振動膜片、封接圓環(huán)、絕緣材料 凸點、圓形金屬膜電極、電極內(nèi)金屬膜引出線和外金屬膜電極。本發(fā)明由周邊固支的彈性振動膜片組成電容器，通過調(diào)整圓形電極與振動膜片半徑之比、設(shè)置絕緣凸點等手段，使振動膜片處于大應(yīng)變狀態(tài)(最小間距與初始間距比值小 于0. 99)，最大電容與初始電容之比盡可能大，從而使電容達到大相對變化量的目的。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案為一種電容壓力傳感器，包括兩片圓形彈性振動膜片、封接材料制作的圓環(huán)、兩圓形 金屬膜電極、電極內(nèi)金屬膜引出線和外金屬膜電極，所述兩圓形彈性振動膜片外緣通過所 述封接材料制作的圓環(huán)粘結(jié)在一起，形成內(nèi)部有空腔、周邊固支的彈性膜，所述兩圓形金屬 膜電極分別設(shè)置于兩片圓形彈性振動膜片內(nèi)側(cè)面上，所述電極內(nèi)金屬膜引出線埋在封接材 料制作的圓環(huán)中間，用于連接圓形金屬膜電極和外金屬膜電極，所述外金屬膜電極一端設(shè) 置在所述封接材料制作的圓環(huán)上，與電極內(nèi)金屬膜引出線相連，另一端露出作為整個傳感 器的引出線，其特征在于，所述的金屬膜圓形電極的半徑小于圓形彈性振動膜片的半徑，使 所述傳感器能夠工作在大應(yīng)變狀態(tài)下，另外，所述電容壓力傳感器還包括多個絕緣材料凸 點，其均勻布置在兩片圓形彈性振動膜片之一和/或圓形金屬膜電極上，用于防電極短路 和起過載保護的作用。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的圓形彈性振動膜片的材料為氧化鋁陶瓷。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的封接材料為低溫玻璃。所述絕緣材料制成的凸點起防電極短路和過載保護的作用。由于是離散分布的若 干個點，其對振動膜應(yīng)變的影響較之絕緣層來講可以忽略不計，克服了前述專利中采用覆 蓋電極的絕緣層對振動膜形變帶來的影響。陶瓷電容壓力傳感器的電容電極和內(nèi)外引線都由厚膜工藝制作，如絲網(wǎng)印刷技術(shù) 和金屬膜壓延技術(shù)(如12微米厚度的壓延銅箔)等；內(nèi)引線和外引線間以無焊料方式焊 接，如超聲金屬焊接。寬厚的膜和牢固的無焊劑結(jié)合平面既保證了電容可以有較高的品質(zhì) 因數(shù)Q，也為絲網(wǎng)印刷封接層等后序工序提供了便利。上述技術(shù)方案可以獲得對振動膜應(yīng)變影響小的短路和過載保護措施，同時得到較 高的品質(zhì)因數(shù)和較大的相對電容變化量，適應(yīng)基于SAW元件的無源無線傳感系統(tǒng)的需求。


圖1為雙振動膜結(jié)構(gòu)受力示意圖；圖2為電容壓力傳感器的最大電容與初始電容間的關(guān)系；圖3為本發(fā)明的側(cè)視圖；圖4為圖3的俯視圖；圖3、4中的相同標號表示傳感器的同一個部位。標號對應(yīng)部位名稱分別為1圓形彈性振動膜片2圓形彈性振動膜片或基底3,4封接材料制作的圓環(huán)5，6圓形金屬膜電極7,8電極內(nèi)金屬膜引出線9，10外金屬膜電極11絕緣材料凸點
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的電容壓力傳感器包括圓形彈性振動膜片1、圓形彈性振動膜片或基底2、 封接材料制作的圓環(huán)3和4、圓形金屬膜電極5和6、電極內(nèi)金屬膜引出線7和8、外金屬膜 電極9和10，以及多個絕緣材料凸點11所述的圓形彈性振動膜片1，圓形彈性振動膜片或基底2采用鍵合工藝使其邊緣 粘結(jié)于封接圓環(huán)3、4之上，組成周邊固支的彈性膜，作為檢測壓力的形變部件。振動膜片材 料包括但不限于氧化鋁陶瓷。所述封接材料制作的圓環(huán)3和4處于圓形彈性振動膜片1、2之間，用于固定振動 膜片1、2的邊緣。封接材料包括但不限于低溫玻璃。所述圓形金屬膜電極5設(shè)置在圓形彈性振動膜片1內(nèi)側(cè)，圓形金屬膜電極6設(shè)置 在圓形彈性振動膜片或基底2內(nèi)側(cè)，用于電容器的電極，其中所述金屬膜圓形電極的半徑 小于圓形彈性振動膜片半徑。所述電極內(nèi)金屬膜引出線7和8制作時燒結(jié)前埋在封接材料制作的圓環(huán)3、4中 間，用于連接圓形金屬膜電極5、6和外金屬膜電極9、10。電極內(nèi)金屬膜引出線7、8采用厚 金屬膜制作。所述外金屬膜電極9和10 —端設(shè)置在封接材料制作的圓環(huán)3、4中間與電極內(nèi)金 屬膜引出線7、8相連，另一端露出作為整個傳感器的引出線。所述多個絕緣材料凸點11設(shè)置在兩個圓形彈性振動膜片之一或起支撐作用的圓 形金屬膜電極上。所述絕緣材料制成的凸點(圖3、4)起防電極短路和過載保護的作用。由 于是離散分布的若干個點，其對振動膜應(yīng)變的影響較之絕緣層來講可以忽略不計，克服了 采用覆蓋電極的絕緣層對振動膜形變帶來的影響。當外部壓力變化時，圓形彈性振動膜片1和圓形彈性振動膜片或基底2發(fā)生形變， 由于其兩端均固定在封接材料制作的圓環(huán)3和4上，因此中間部分發(fā)生形變最大，形變隨遠 離振動膜片中心而減小，至固定的邊沿減小至零。圓形彈性振動膜片1和圓形彈性振動膜 片或基底2處于大形變量工作狀態(tài)，這樣可以獲得較大的電容相對變化量，從而使傳感器 的測量范圍擴大。設(shè)置的絕緣材料凸點11可以起到防止振動膜片1、2過度變形或接觸使 電極短路的作用。隨著1、2的形變，附著在1、2上的圓形金屬膜電極5和6間距也發(fā)生了 改變，因此它們之間的電容也相應(yīng)發(fā)生了變化。通過電極內(nèi)金屬膜引出線7、8引出到外金 屬膜電極9、10，連接到外部的聲表面波傳感器，即可進行測量。其中，所述圓形電極半徑需要小于振動膜半徑的依據(jù)為周邊固支的薄板型彈性 振動膜在外力作用下，其中心點撓度dQ最大，距離中心越遠，撓度越小，如公式(1)所示。
權(quán)利要求
1.一種電容壓力傳感器，包括兩片圓形彈性振動膜片(1，2)、封接材料制作的圓環(huán)(3， 4)、兩圓形金屬膜電極(5，6)、電極內(nèi)金屬膜引出線(7，8)和外金屬膜電極(9，10)，所述兩 圓形彈性振動膜片(1，2)外緣通過所述封接材料制作的圓環(huán)(3，4)粘結(jié)在一起，形成內(nèi)部 有空腔、周邊固支的彈性膜，所述兩圓形金屬膜電極(5，6)分別貼于兩片圓形彈性振動膜片 (1，2)相對置的內(nèi)側(cè)面上，所述電極內(nèi)金屬膜引出線(7，8) —端埋在封接材料制作的圓環(huán) (3，4)中，另一端與圓形金屬膜電極(5，6)接觸連接，所述外金屬膜電極(9，10)—端設(shè)置在 所述封接材料制作的圓環(huán)(3，4)上，與電極內(nèi)金屬膜引出線(7，8)相連，另一端露出作為整 個傳感器的引出線，其特征在于所述的金屬膜圓形電極(5，6)的半徑小于圓形彈性振動膜片(1，2)的半徑，使所述傳 感器能夠工作在大應(yīng)變狀態(tài)下；所述電容壓力傳感器還具有多個絕緣材料凸點(11)，其均 勻布置在兩片圓形彈性振動膜片(1，2)之一和/或圓形金屬膜電極(5，6)上，用于防電極短 路和起過載保護的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容壓力傳感器，其特征在于，所述的圓形彈性振動膜 片(1，2)的材料為氧化鋁陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種電容壓力傳感器，其特征在于，所述的封接材料為低 溫玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無線無源測量的電容壓力傳感器，由周邊固支的彈性振動膜片組成電容器，通過調(diào)整圓形電極與振動膜片半徑之比、設(shè)置絕緣凸點等手段，使振動膜片處于大應(yīng)變狀態(tài)，最大電容與初始電容之比盡可能大，從而使電容達到大相對變化量、高Q值的目的。本發(fā)明的高Q值和大相對電容變化量的電容壓力傳感器與聲表面波變送器連接后，可以實現(xiàn)對壓力的高精度無線無源測量，該傳感器可用于汽車輪胎壓力監(jiān)測領(lǐng)域。
文檔編號G01L9/12GK102052989SQ201010548819
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者傅邱云, 周東祥, 王建玲, 羅為, 趙俊, 鄭志平, 龔樹萍 申請人:華中科技大學(xué)