一种高精度陶瓷压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种高精度陶瓷压力传感器。
【背景技术】
[0002]两陶瓷片间间距大小控制精度是保证此类陶瓷压力传感器静态电容、使用范围和精度的根本，目前控制两陶瓷片间距方法的都靠在基板上引入第二种材料形成平行板所需要的间距，像陶瓷小球、树脂小球、低温共烧(LTCC)陶瓷片、陶瓷煅、隔离片等材料通过热压方式和基板、薄片烧结在一起，引入材料的最终厚度就为平行板间所需最终间距，由于引入材料Z轴方向收缩率受压力、烧结温度等因素影响的不确定性，此方法很难保证最终间距的控制，且传感器后续需经反复压力冲击，第二种材料很容易出现因热膨胀性系数、弹性模量、抗压强度等参数和瓷体材料的差异而导致传感器失效。
[0003]两瓷体上电极图案设计是影响压力传感器输出方式和精度的另一重要因素，目前此类陶瓷压力传感器电极都采用在一厚一薄两片陶瓷上印刷电极构成平行板结构，电极采用一个公共电极，一个测量电极，一个参考电极三电极结构，此结构可采用单分输出，但无法消除杂散电容对参考电容的影响，在传感芯片自身电容值较小时，杂散电容值往往比芯片自身电容还要大，导致传感器最终输出精度很难保证。
[0004]采用空气作为两电极间介质的陶瓷压力传感器，以空气作为电极介质的传感器静态电容值较小，其在相同压力下输出电容变化值小，传感器输灵敏度差，且在过载压力作用下，电极会出现电极短路现象，短路的发生很容易使传感器的信号处理电路发生烧毁。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度陶瓷压力传感器。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]—种高精度陶瓷压力传感器，包括具有凹穴和多个导电通孔的陶瓷基板，以及结合于所述陶瓷基板的凹穴所在的那一侧的陶瓷薄片，所述凹穴的凹面上设置有测量电极和环绕所述测量电极的第一环形电极，所述陶瓷薄片与所述凹面相对的那一面上设置有移动电极和环绕所述移动电极的第二环形电极，所述测量电极、所述第一环形电极、所述移动电极和所述第二环形电极的引出端分别通过对应的导电通孔在所述陶瓷基板的与所述凹穴相反的另一侧引出，所述移动电极与所述测量电极构成测量电容，所述移动电极与所述的第一环形电极构成参考电容，所述第一环形电极和所述第二环形电极还通过导电通孔短接构成等电势面。
[0008]所述第一环形电极具有开口，所述测量电极从所述第一环形电极的开口向外引出测量电极引出端，所述第一环形电极在其开口的相对端向外引出第一环形电极第一引出端，所述第二环形电极具有开口，所述移动电极从所述第二环形电极的开口向外引出移动电极引出端，所述第二环形电极在其开口的相对端向外引出第二环形电极引出端，所述第一环形电极还向外引出第一环形电极第二引出端，所述第二环形电极引出端和所述第一环形电极第二引出端对齐并通过导电通孔短接以形成共同的电极引出端；优选地，所述第二环形电极引出端与所述移动电极引出端通过插入导电通孔的导电柱与所述导电通孔电连接。
[0009]所述第一环形电极和所述第二环形电极的外径相等。
[0010]所述测量电极为与所述第一环形电极同心的圆形，所述移动电极为与所述第二环形电极同心的圆形，所述测量电极的直径< 所述移动电极的直径 <所述第一环形电极和所述第二环形电极的外径，优选地，所述第一环形电极和所述第二环形电极的外径相等并同心。
[0011]所述陶瓷基板在所述凹穴的外围与所述陶瓷薄片之间通过玻璃薄膜烧结粘接为一体，优选地，所述玻璃薄膜的厚度在10-12 μπι。
[0012]所述凹穴的深度为40-200 μ m，尤其是40-100 μ m，优选40-60 μ m。
[0013]所述陶瓷基板的总厚度在2-5mm，所述陶瓷薄片的厚度在0.3-1.0mm，优选在
0.3-0.6mm。
[0014]所述陶瓷基板为氧化铝或氧化错基板。
[0015]在所述移动电极和所述第二环形电极上覆盖有介质层，优选地，所述介质层厚度在 0.5-1.0 μ m。
[0016]所述测量电极、所述第一环形电极、所述移动电极和所述第二环形电极烧结后电极表面粗糙度小于0.3 μ m，厚度控制在0.5-1.5 μ m。
[0017]本发明的有益技术效果:
[0018]本发明中，电极的间距直接由陶瓷基板上一定深度的凹穴形成，根据需要可控制生成凹穴的深度，不需要引入第二种材料就可以把电极间距控制在很高的精度范围内，此方案有效解决了目前在基板上引入第二种材料导致电极间距偏差大的问题；而且，基板和薄片的电极间距在使用过程中不存在因为材料之间热膨胀系数不一致而导致传感器精度下降现象。基板电极和陶瓷薄片电极都采用双电极结构，其中测量电极和移动电极构成测量电容，移动电极和第一环形电极构成参考电容，第一环形电极和第二环形电极短接构成等电势面，此结构可以有效消除杂散电容对测量电容和参考电容的影响，使输出不管采用差分和还是单分都具有很高的精度。
[0019]因此，本发明能够有效解决目前陶瓷压力传感器电极结构设计无法消除杂散电容影响，两平行板间间距控制精度差，引入第二种材料控制间距的同时把基板和薄片粘合在一起而导致粘合效果差，使用过程中由于材料匹配性问题而导致产品失效，采用空气作为介质层而导致传感器静态电容小，输出灵敏低以及过载压力下易短路等问题。与常规陶瓷压力传感器相比，采用本发明，电极间距控制准确、灵敏高、封接效果好，采用单分和差分输出都能保证很高的精度，同时还具有结构简单、抗过载、耐腐蚀能力强、电容温度系数低、蠕变和迟滞小、非线性好等优点，在高、低温和不同量程范围内都具有很强的适应性。
[0020]进一步的方案还能获得更多的优点。例如，第一环形电极和第二环形电极外径相等，有利于进一步消除杂散电容的影响，获得更高的精度。又如，移动电极和和第二环形电极上可覆盖一层高介质常数的介质层，介质层的存在可以提高传感器的静态电容和电容随压力变化的灵敏度，同时又能防止基板和薄片电极因受过载压力变形接触而短路现象。
【附图说明】
[0021]图1为本发明一种实施例的高精度陶瓷压力传感器一个截面图(截面对应于图4中电极引出端14、16的连线方向);
[0022]图2为本发明一种实施例的高精度陶瓷压力传感器另一截面图(截面对应于图5中电极引出端18、19的连线方向);
[0023]图3为本发明一种实施例中的陶瓷基板截面图；
[0024]图4为本发明一种实施例中的陶瓷基板电极设计平面图；
[0025]图5为本发明一种实施例中的陶瓷薄片电极设计平面图；
[0026]图6为本发明实施例传感器的压力-电容输出曲线。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0028]请参阅图1至图5，在一些实施例里，一种高精度陶瓷压力传感器，包括具有凹穴3和多个导电通孔10、11、12、13的陶瓷基板1，以及结合于陶瓷基板1的凹穴3所在的那一侧的陶瓷薄片2，凹穴3的凹面上设置有测量电极4和环绕测量电极4的第一环形电极5，陶瓷薄片2与凹面相对的那一面上设置有移动电极6和环绕移动电极6的第二环形电极7，测量电极4、第一环形电极5、移动电极6和第二环形电极7的电极引出端14、16、18、19分别通过对应的导电通孔10、11、12、13延伸到陶瓷基板1的与凹穴3相反的另一侧，移动电极6与测量电极4构成测量电容，移动电极6与的第一环形电极5构成参考电容，第一环形电极5和第二环形电极7还通过导电通孔13短接构成等电势面。按照上述配置的传感器，不管采用单独的压力/测量电容还是压力/测量电容-参考电容输出，传感器都有很高的输出精度。
[0029]在优选的实施例中，第一环形电极5具有开口，测量电极4从第一环形电极5的开口向外引出测量电极引出端14，第一环形电极5在其开口的相对端向外引出第一环形电极第一引出端16，第二环形电极7具有开口，移动电极6从第二环形电极7的开口向外引出移动电极引出端18，第二环形电极7在其开口的相对端向外引出第二环形电极引出端19，第一环形电极5还向外引出第一环形电极第二引出端17，第二环形电极引出端19和第一环形电极第二引出端17对齐并通过导电通孔13短接以形成共同的电极引出端；优选地，第二环形电极引出端19与移动电极引出端18 (移动电极引出端18对应图4所示的电极引出端15)分别通过插入导电通孔13、12的导电柱与导电通孔13、12电连接。
[0030]在优选的实施例中，第一环形电极5和第二环形电极7的外径相等。
[0031]在优选的实施例中，测量电极4为与第一环形电极5同心的圆形，移动电极6为与第二环形电极7同心的圆形，测量电极4的直径<移动电极6的直径<第一环形电极5和第二环形电极7的外径。更优选地，第一环形电极5和第二环形电极7的外径相等并同心。
[0032]在优选的实施例中，陶瓷基板1在凹穴3的外围与陶瓷薄片2之间通过玻璃薄膜9烧结粘接为一体，优选地，玻璃薄膜9的厚度在10-12 μ m0
[0033]在优选的实施例中，陶瓷基板1的凹穴3的深度为40-200 μ m，尤其是40-100 μ m，更优选是40-60 μ m。
[0034]在优选的实施例中，陶瓷基板1的总厚度在2_5mm，陶瓷薄片2的厚度在
0.3-1.0mm，优选在 0.3-0.6mm。
[0035]陶瓷基板1可以采用氧化铝或氧化错基板。
[0036]在优选的实施例中，在移动电极6和第二环形电极7上覆盖有介质层8，优选地，介质层8厚度在0.5-1.0 μ m。
[0037]在优选的实施例中，