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低压陶瓷电容式压力传感器的研究

石汝军  
【摘要】: 本文利用新型陶瓷技术、集成电路技术和厚膜平面安装电路技术,采用零力学滞后的陶瓷和陶瓷密封材料进行设计制造了一种非充液干式的电容式压力传感器,该压力传感器由较厚的陶瓷基体和较薄的陶瓷膜片构成,中间形成一空气介质腔,在基座和膜片之间内置同轴的双电极,组成两个电容,当膜片承受压力时发生位移,使电容量产生变化,经后置处理电路直接转换为可输出的直流电压信号。 采用纳米级的原料,ZrO_2(Y_2O_3)复合增韧技术生产出了高质量的陶瓷膜片,通过对CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2系的瓷料相图的分析,确定了基本的瓷料配方,并对ZrO_2(Y_2O_3)复合增韧机理进行了探讨。 对金电极的形状进行了设计,设置参照电容Cr,可较好地修正测量电容Cp的非线性;研究了金导电浆料的配方、组成,通过调节浆料的成分,加入部分添加剂,提高了烧结后的电极对瓷体的附着力和耐腐蚀性。对附着在陶瓷基座上的金电极进行了覆盖绝缘膜的研究,重点研究了溶胶-凝胶法的工艺和机理。增粘剂的加入可提高一次涂膜的厚度,低温烧结可在金电极上得到表面光亮的二氧化硅玻璃薄膜,绝缘性能良好。另外也对化学气相沉积法(CVD法)和物理气相沉积法(PVD法)(包括其中的溅射法)进行了探讨。 通过试验对比,确定了介质腔的厚度,使陶瓷膜片在过载时与基座接触,从而避免了传感器的过载损坏,使传感器的抗过载能力大大提高。研究了复合法和结晶法两种封接方式,使陶瓷基座与膜片达到良好的匹配封接。设计了一种处理电路,将电容信号直接转变为直流电压信号,并考虑了温度补偿、线性修正等因素。 总之,通过以上工作研制出的压力传感器结构独特,精度高,耐腐蚀,抗过载能力强,是目前世界上最先进的压力传感器,填补了国内空白。


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