2006年第25卷第6期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies新型厚膜陶瓷电容式压力传感器感压元件研究*唐力强,李民强,陈建群,张宾,王英先(中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室,安徽合肥230031摘要:采用厚膜传感技术研制新型陶瓷电容式压力传感器,重点开展厚膜陶瓷电容感压元件的制备工艺和混合集成化研究。详细阐述了双电容感压元件的工作原理、结构设计、工艺制备方法及性能测试。试验结果表明:研制的感压元件性能良好,非线性误差低于1.0%,迟滞误差小于0.5%,测试电容和参考电容温度系数近乎一致。关键词:厚膜;电容式压力传感器;感压元件:TP212.12文献标识码:A:1000-9787(200606-0039-04Researchonpressuresensitivecomponentofnovelthickfilmceramiccapacitivepressuresensor*TANGLiqiang,LIMinqiang,CHEN激anqun,ZHANGBin,WANGYingxian(StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology,InstituteofIntelligentMachines,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,ChinaAbstract:Novelceramiccapacitivepressuresensors(CCPSareresearchedbythethickfilmsensitivetechnology.Thepreparationtechniqueandhybridintegrationofthepressuresensitivecomponentareemphasized.Thebasicprinciple,fabricdesign,manufacturingtechniqueandperformancetestofdualcapacitypressuresensitivecomponentaredescribedindetai.lExperimentalresultsindicatethatthecomponenthasexcellentperformance,thenonlinearityerrorandhysteresiserrorarewithin1.0%and0.5%respectively,especially,bothtemperaturecoefficientofcapacity(TCCareidentica.lKeywords:thickfilm;capacitivepressuresensor;pressuresensitivecomponent0引言压力传感器是传感器系统中应用最广的一类传感器,厚膜陶瓷电容式压力传感器在充分发挥以往压力传感器优点的基础上,利用电容变间隙式原理,采用厚膜传感技术和厚膜混合集成技术相结合,运用零力学滞后的电子陶瓷技术,研制成非充液空气介质的传感器,因其具有很好的重复性和稳定性、受分布电容和寄生电容影响小、功耗低、非线性好、电容温度系数低、结构简单、抗干扰、抗过载、耐腐蚀能力强、蠕变和迟滞小、适用范围广,这些优点预示了它具有较大的市场应用前景[1]。陶瓷感压元件的设计是整个厚膜电容式压力传感器的核心和基础,作为传感器中最前端信息获取的关键部件,感压元件的非线性、迟滞、温度稳定性等决定了整个传感器性能。本文从电容变间隙式原理出发,建立了双电容感压元件模型,并对理论模型进行了详细的推导,得到了参考电容和测量电容随压力变化的理论计算公式,并采用厚膜工艺,收稿日期:2006-01-29*基金项目:安徽省十五科技攻关计划资助项目(040120503研制了直径分别为28mm和40mm两组感压元件,最后,给出了试验测试结果。1工作原理和计算推导1.1工作原理及设计厚膜陶瓷电容感压元件采用电容变间隙式原理,由96%Al2O3陶瓷基板及陶瓷弹性膜片作电极板,如图1,陶瓷膜片具有零力学滞后、高弹性、抗腐蚀、抗磨损、蠕变和迟滞小的特点,兼有较高的热导率和电绝缘强度。电极材料采用钯银电极浆料[2](PdAg电极。通过厚膜丝网印刷工艺将电容电极掩模图形转印到陶瓷盖板和弹性膜片上;利用低温玻璃将陶瓷盖板和弹性膜片电极粘接成一体,经烘干和高温烧结就形成了一个非充液空气介质的电容器,其电容量由电极面积和两电极间的间隙决定。电极初始间隙采用烧结的玻璃体控制,当感压元件的弹性膜片受到外加压力时,弹性膜片产生形变,使两电极间隙减小,引起感压元件电容量的变化。电容的变化量与压力的大小成比例,39传感器与微系统第25卷这样的电容器就可以用来作检测压力的敏感元件。图1电容式感压元件结构Fig1Fabricschemeofcapacitivepressuresensitivecomponent由于陶瓷膜片边缘固定在陶瓷基座上,周边支撑,受力时中间形变大,边缘形变小,电容量产生非线性并使灵敏度降低,为减少温度影响和边缘效应,设计时,在陶瓷膜片上设置一圆形的单电极作为公共电极,陶瓷盖板上设置双电极并使面积相等,构成同轴环状的双电容传感器。中心为测量电容Cp,边缘环形为参考电容Cr,Cr的外测是固...