專利名稱：厚膜微壓力傳感器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及厚膜微壓力傳感器技術(shù)。
厚膜壓力傳感器是八十年代初出現(xiàn)的新型傳感器，其彈性體為高性能氧化鋁瓷，應(yīng)變電阻為具有壓阻效應(yīng)的厚膜電阻，并采用厚膜工藝技術(shù)直接印刷、燒結(jié)在陶瓷彈性體上。這種厚膜壓力傳感器成本低，耐高溫，耐腐蝕，可直接接觸腐蝕性液體或氣體，無需通過不銹鋼膜片和硅油隔離。八十年代以來，許多國家都對(duì)厚膜壓力傳感器及厚膜力敏技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)。目前國內(nèi)外厚膜壓力傳感器的最小量程一般都在0.1MPa(100KPa)左右。
目前國內(nèi)外常用的微壓力傳感器主要有擴(kuò)散硅、組合式二種。前者采用硅材料及半導(dǎo)體平面工藝制作，應(yīng)變電阻為擴(kuò)散硅電阻，彈性體為單晶硅；后者主要由彈性波紋膜片，連桿，應(yīng)變片組合而成，量程一般可達(dá)10-50KPa，不足之處是工作溫度低，不耐腐蝕，測量腐蝕性介質(zhì)需采用隔離措施，成本高。
此外，研制10KPa以下微壓力品種的傳感器，存在如下困難和限制1．?dāng)U散硅壓力傳感器，隨著量程的減小，其彈性膜片的厚度需要進(jìn)一步減薄，這樣導(dǎo)致擴(kuò)散硅電阻的結(jié)深難以控制，非線性增加，性能惡化，一致性和成品率下降等諸多困難。
2．組合式壓力傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于加工工藝和材料的限制，加工難度更大，難以實(shí)現(xiàn)，加上成本高，工作溫度低，不耐腐蝕，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)壓力測量的需求。
本發(fā)明的目的是，提供一種采用新型陶瓷彈性體設(shè)計(jì)，采用厚膜應(yīng)變電阻漿料、并通過厚膜印刷、燒結(jié)工藝技術(shù)，制出的廉價(jià)、工作溫度高的厚膜微壓力傳感器。
本發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的采用Al2O3瓷加工成彈性膜片及瓷環(huán)；彈性園膜片采用流延法工藝成型，瓷環(huán)采用熱壓鑄成型工藝制作，高溫?zé)?，用高溫玻璃漿料將彈性園膜片和瓷環(huán)粘結(jié)成周邊固支的感壓彈性體，并在高溫中燒結(jié)成為一體。然后在彈性體上按預(yù)定位置印刷燒結(jié)導(dǎo)電帶，并在陶瓷彈性體的中央及邊緣附近位置通過厚膜絲網(wǎng)印刷，高溫?zé)Y(jié)工藝制作厚膜應(yīng)變電阻，并接成全橋；抗過載及補(bǔ)償用蓋板也是用Al2O3瓷熱壓鑄成型，用低溫玻璃和已印燒好厚膜應(yīng)變電阻的彈性體形成整體。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明及發(fā)明方法。
附

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2是本發(fā)明蓋板3的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3是彈性體1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1．彈性體；2．厚膜電阻全橋(R1～R4)；3．蓋板；4．補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)；5．鈀銀導(dǎo)帶，6．凹槽。
1．超薄微壓陶瓷彈性體的制造彈性膜片采用95％的三氧化二鋁(Al2O3)陶瓷制作，采用流延法工藝成型，并在1600-1800℃燒結(jié)，膜片外徑Φ72mm，厚度0.25-0.60mm，所制膜片要平整致密，厚度均勻，不得有曲翹和凹凸不平；瓷環(huán)外徑Φ72mm，內(nèi)徑Φ60mm，厚度6.0mm，采用95％Al2O3瓷，熱壓鑄工藝成型，其燒成溫度為1600-1700℃，再將瓷環(huán)兩面研磨拋光，使其上下面平整。
采用絲網(wǎng)印刷工藝，在瓷環(huán)上均勻印刷一層高溫玻璃漿料，然后將Φ72mm的膜片粘合在瓷環(huán)上，要粘合平整，嚴(yán)密無縫，在常溫下平放陰干至少2小時(shí)，紅外線燈烘干，然后放到高溫爐中，在880-940℃高溫下燒成一體，出爐后自然冷卻至室溫。
2．厚膜應(yīng)變電阻的制造厚膜應(yīng)變電阻采用釕酸鉍系列材料制備先將水合氧化釕(RuO2)脫水，然后將脫水后的超細(xì)氧化釕(RuO2)和氧化鉍(Bi2O3)在580-700℃合成釕酸鉍(Bi2Ru2O2)導(dǎo)電相，再將合成的導(dǎo)電相和玻璃相，按導(dǎo)電相∶玻璃相=1∶7-10的重量比進(jìn)行混合，攪拌均勻后加無水乙醇研磨8小時(shí)，烘干；最后用乙基纖維素將上述研磨好的粉體調(diào)漿，攪拌均勻，制成厚膜應(yīng)變電阻漿料；應(yīng)變系數(shù)GF/8-12，方阻10-15K/口，電阻溫度系數(shù)TCR＜80PPm/℃。在Φ72mm彈性體上，按預(yù)定位置印刷鈀-銀導(dǎo)體漿料，在室溫陰干0.5-1.5小時(shí)，并在紅外燈下烘干再放入高溫爐進(jìn)行燒結(jié)，燒成溫度880-920℃，自然冷卻至室溫；然后用印刷機(jī)在陶瓷彈性體中央及邊緣附近，感壓后應(yīng)變最大區(qū)域位置，通過厚膜絲網(wǎng)印刷，高溫?zé)Y(jié)溫度(760-850℃)，制作四個(gè)厚膜應(yīng)變電阻，(R1～R4)并由已印燒的鈀銀導(dǎo)電帶連接成全橋。
3．抗過載及補(bǔ)償用蓋板的制作蓋板外徑Φ72mm，厚度2.2mm，采用95％Al2O3陶瓷熱壓鑄加工成型，高溫1600-1800℃燒成，并對(duì)其上下兩面進(jìn)行研磨拋光，要求表面平整致密。
在蓋板上表面采用厚膜工藝，印刷、燒結(jié)釕酸鉍厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)，燒成溫度790-810℃，電阻溫度系數(shù)TCR控制在100PPm/c，導(dǎo)帶采用鈀銀(Pd-Ag)，溫度850-950℃。
采用絲網(wǎng)印刷 工藝在彈性體表面的四周和蓋板的背面印刷低溫粘結(jié)玻璃，平放陰干后，放入高溫爐中燒結(jié)，燒結(jié)峰溫530～600℃，然后在蓋板四周的五個(gè)凹槽中，涂復(fù)低溫銀漿，600℃燒成，自然冷卻后取出。使厚膜應(yīng)變電阻和蓋板上的補(bǔ)償電路通過蓋板邊緣上的五個(gè)凹槽形成歐姆連接。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，如附圖1、2、3所示周邊固支的陶瓷超薄感壓彈性體1上，印燒有四個(gè)釕酸鹽厚膜電阻全橋2(R1、R2、R3、R4)；蓋板3和彈性體1燒結(jié)成一體，在蓋板3表面有厚膜補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)4，在蓋板3邊緣，開有五個(gè)金屬化凹槽6，燒滲的鈀銀導(dǎo)帶5使厚膜電阻全橋2和補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)4形成歐姆電氣連接；在蓋板3背面，有Φ602mm的園形凹槽，其作用是使之和彈性膜片1之間形成間隙，當(dāng)彈性膜片1過載時(shí)，過度的撓曲被蓋板3的背面頂住，以防止膜片1過載，形成對(duì)傳感器的過載保護(hù)。
使用時(shí)，傳感器裝入外殼，并將蓋板上金屬化接線分別接入電源和儀表。當(dāng)所測量的氣體或液位壓力作用彈性體上時(shí)，彈性膜片產(chǎn)生撓曲變形。與此同時(shí)，印燒在彈性膜片上的厚膜應(yīng)變電阻也產(chǎn)生同樣大小應(yīng)變，其中兩電阻R1、R3受壓應(yīng)變，阻值減?。涣韮呻娮鑂2、R4受拉應(yīng)變，阻值增大，這樣所測壓力值即被轉(zhuǎn)換成橋路輸出信號(hào)，而且信號(hào)大小和壓力成正比。
本發(fā)明產(chǎn)品，性能優(yōu)良，穩(wěn)定，耐腐蝕，工作溫度范圍寬(-40-+125℃)、成本低，耐酸堿，耐老化，體積小，重量輕，安裝維護(hù)方便，價(jià)格性能比高?？蓮V泛應(yīng)用于冶金，電力，化工，輕工，制藥等行業(yè)，有著較好的市場前景。
本發(fā)明產(chǎn)品主要性能指標(biāo)1．量程0-1KPa,0-5KPA,0-10KPa,0-20KP；2．工作溫度-40-125℃,-10-+85℃；3．精度0.5％；1.0％；4．零點(diǎn)溫飄0.05％F.S/.C5．過載200％；6．零位輸出＜5mv；7．橋壓12V(D.C)8．橋阻5KΩ
權(quán)利要求
1．一種厚膜微壓力傳感器的制備方法，其特征在于采用Al2O3瓷加工成彈性膜片及瓷環(huán)；彈性園膜片采用流延法工藝成型，瓷環(huán)采用熱壓鑄成型工藝制作，高溫?zé)?，用高溫玻璃漿料將彈性園膜片和瓷環(huán)粘結(jié)成周邊固支的感壓彈性體，并在高溫中燒結(jié)成為一體；然后在彈性體上按預(yù)定位置印刷燒結(jié)導(dǎo)電帶，并在陶瓷彈性體的中央及邊緣附近位置通過厚膜絲網(wǎng)印刷，高溫?zé)Y(jié)工藝制作厚膜應(yīng)變電阻，并接成全橋；抗過載及補(bǔ)償用蓋板也是用Al2O3瓷熱壓鑄成型，用低溫玻璃和已印燒好厚膜應(yīng)變電阻的彈性體形成整體。
2．如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于(a)．超薄微壓陶瓷彈性體的制造彈性膜片采用95％的三氧化二鋁陶瓷制作，采用流延法工藝成型，并在1600-1800℃燒結(jié)，膜片外徑Φ72mm，厚度0.25-0.60mm，所制膜片要平整致密，厚度均勻，不得有曲翹和凹凸不平；瓷環(huán)外徑Φ72mm，內(nèi)徑Φ60mm，厚度6.0mm，采用95％Al2O3瓷，熱壓鑄工藝成型，其燒成溫度為1600-1700℃，再將瓷環(huán)兩面研磨拋光，使其上下面平整；采用絲網(wǎng)印刷工藝，在瓷環(huán)上均勻印刷一層高溫玻璃漿料，然后將Φ72mm的膜片粘合在瓷環(huán)上，要粘合平整，嚴(yán)密無縫，在常溫下平放陰干至少2小時(shí)，紅外線燈烘干，然后放到高溫爐中，在880-940℃高溫下燒成一體，出爐后自然冷卻至室溫；(b)．厚膜應(yīng)變電阻的制造厚膜應(yīng)變電阻采用釕酸鉍系列材料制備先將水合氧化釕脫水，然后將脫水后的超細(xì)氧化釕和氧化鉍在580-700℃合成釕酸鉍導(dǎo)電相，再將合成的導(dǎo)電相和玻璃相，按導(dǎo)電相∶玻璃相=1∶7-10的重量比進(jìn)行混合，攪拌均勻后加無水乙醇研磨8小時(shí)，烘干；最后用乙基纖維索將上述研磨好的粉體調(diào)漿，攪拌均勻，制成厚膜應(yīng)變電阻漿料；應(yīng)變系數(shù)GF/8-12，方阻10-15K/口，電阻溫度系數(shù)TCR＜80PPm/℃；在Φ72mm彈性體上，按預(yù)定位置印刷鈀-銀導(dǎo)體漿料，在室溫陰干0.5-1.5小時(shí)，并在紅外燈下烘干；再放入高溫爐進(jìn)行燒結(jié)，燒成溫度880-920℃，自然冷卻至室溫；然后用印刷機(jī)在陶瓷彈性體中央及邊緣附近，感壓后應(yīng)變最大區(qū)域位置，通過厚膜絲網(wǎng)印刷，高溫?zé)Y(jié)溫度760-850℃，制作四個(gè)厚膜應(yīng)變電阻，R1～R4并由已印燒的鈀銀導(dǎo)電帶連接成全橋；(c)．抗過載及補(bǔ)償用蓋板的制作蓋板外徑Φ72mm，厚度2.2mm，采用95％Al2O3陶瓷熱壓鑄加工成型，高溫1600-1800℃燒成，并對(duì)其上下兩面進(jìn)行研磨拋光，要求表面平整致密。
3．用權(quán)利要求1、2的方法制備的厚膜微壓力傳感器，其特征在于，周邊固支的陶瓷超薄感壓彈性體上，印燒固有四個(gè)釕酸鹽厚膜電阻全橋；蓋板和彈性體燒結(jié)成一體，在蓋板表面有厚膜補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)，在蓋板邊緣，開有五個(gè)金屬化凹槽燒滲的鈀銀導(dǎo)帶使厚膜電阻全橋和補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)形成歐姆電氣連接；在蓋板背面，有Φ602mm的園形凹槽，其作用是使之和彈性膜片之間形成間隙，當(dāng)彈性膜片過載時(shí)，過度的撓曲被蓋板的背面頂住，以防止膜片過載，形成對(duì)傳感器的過載保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及厚膜微壓力傳感器技術(shù),采用Al
文檔編號(hào)G01L1/20GK1215157SQ98111559
公開日1999年4月28日 申請(qǐng)日期1998年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月31日
發(fā)明者馬以武, ?；勖? 宋箭, 申飛, 王英先 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所