高Q值大相对变化量电容压力传感器

1.一种电容压力传感器，包括两片圆形弹性振动膜片(1，2)、封接材料制作的圆环(3，
4)、两圆形金属膜电极(5，6)、电极内金属膜引出线(7，8)和外金属膜电极(9，10)，所述两圆形弹性振动膜片(1，2)外缘通过所述封接材料制作的圆环(3，4)粘结在一起，形成内部有空腔、周边固支的弹性膜，所述两圆形金属膜电极(5，6)分别贴于两片圆形弹性振动膜片(1，2)相对置的内侧面上，所述电极内金属膜引出线(7，8)一端埋在封接材料制作的圆环(3，4)中，另一端与圆形金属膜电极(5，6)接触连接，所述外金属膜电极(9，10)一端设置在所述封接材料制作的圆环(3，4)上，与电极内金属膜引出线(7，8)相连，另一端露出作为整个传感器的引出线，其特征在于：
所述的金属膜圆形电极(5，6)的半径小于圆形弹性振动膜片(1，2)的半径，使所述传感器能够工作在大应变状态下；所述电容压力传感器还具有多个绝缘材料凸点(11)，其均匀布置在两片圆形弹性振动膜片(1，2)之一和/或圆形金属膜电极(5，6)上，用于防电极短路和起过载保护的作用。
2.根据权利要求1所述的一种电容压力传感器，其特征在于，所述的圆形弹性振动膜片(1，2)的材料为氧化铝陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的一种电容压力传感器，其特征在于，所述的封接材料为低温玻璃。

高Q值大相对变化量电容压力传感器\n技术领域：\n[0001] 本发明属于压力监测技术领域，特别涉及一种适应于无源无线传感的压力传感器，尤其是变极距电容式压力传感器。\n技术背景：\n[0002] 以无源无线方式工作的传感器适应于恶劣的工作环境，如高温、重污染、强干扰等，以及旋转和移动物体上不适合连线和电池提供能量的情况下的各种物理、化学或生物量的测量。现有技术中以无源无线方式工作的传感器主要有两种：LC谐振式和SAW(声表面波)式。前者一般采用电容式传感器，以谐振频率为测量量，以电感耦合方式实现能量和信息传递，适应较短的工作距离。\n[0003] 后者利用SAW元件(包括谐振器和延迟线)体积小、重量轻、工作频率高、插入损耗小等特征，既可以SAW元件本身为传感元，也可以SAW元件为传输通道和传统阻抗传感器一起实现无源无线传感。SAW元件与传统阻抗传感器的结合可以使传统阻抗传感器能够以无源无线方式工作实现较远距离的数据传输，又可以扩展SAW传感器的应用领域。\n[0004] 基于SAW元件的无源无线传感器对阻抗负载传感器的要求包括两项：一是品质因数高，二是其值，如电容，有较大的相对变化量。\n[0005] 中国专利文献CN1127354A公开了一种电容压力或差压传感器，包括由陶瓷材料制成的基底，在其一面设有一个电极和一个由原始玻璃材料制成的玻璃层；一个由陶瓷材料制的膜片，被起隔离层作用的原始玻璃原料连接到和压力密封到基底上，隔离层把膜片及基底固定成隔开一段距离形成一腔。该发明专利用于解决电容压力传感器的短路问题。\n[0006] 中国专利文献CN1334451A公开了一种陶瓷压力传感器及差压传感器，其基座和膜片用同种陶瓷材料制作，基座上设置气孔，基座与膜片的对应面分别设表面覆盖无机材料绝缘层的电极，基座和膜片的周边均用无机材料设置一圈凸台，凸台的对应面中间用封接玻璃层密封。其中覆盖电极的绝缘层起防短路和过载的作用。\n[0007] 上述专利文献都在电极上覆盖绝缘材料层解决电极短路的问题，但是也产生了在外部压力作用下，振动膜发生的形变减小的问题，即绝缘层的存在增大了振动膜的厚度，使相同外力作用下形变减小。\n[0008] 另外，上述专利文献中都没有关注电容的相对变化量以及Q值的问题。\n发明内容：\n[0009] 本发明的目的不仅在于提供一种蠕变小、反应快、温度稳定性好、耐腐蚀、抗干扰、抗过载、精度高的陶瓷电容压力传感器，而且在于提供一种有较高的Q值和较大的相对电容变化量的陶瓷电容压力传感器。\n[0010] 本发明提供的陶瓷电容压力传感器包括圆形弹性振动膜片、封接圆环、绝缘材料凸点、圆形金属膜电极、电极内金属膜引出线和外金属膜电极。\n[0011] 本发明由周边固支的弹性振动膜片组成电容器，通过调整圆形电极与振动膜片半径之比、设置绝缘凸点等手段，使振动膜片处于大应变状态(最小间距与初始间距比值小于0.99)，最大电容与初始电容之比尽可能大，从而使电容达到大相对变化量的目的。\n[0012] 为实现本发明的目的所采用的具体技术方案为：\n[0013] 一种电容压力传感器，包括两片圆形弹性振动膜片、封接材料制作的圆环、两圆形金属膜电极、电极内金属膜引出线和外金属膜电极，所述两圆形弹性振动膜片外缘通过所述封接材料制作的圆环粘结在一起，形成内部有空腔、周边固支的弹性膜，所述两圆形金属膜电极分别设置于两片圆形弹性振动膜片内侧面上，所述电极内金属膜引出线埋在封接材料制作的圆环中间，用于连接圆形金属膜电极和外金属膜电极，所述外金属膜电极一端设置在所述封接材料制作的圆环上，与电极内金属膜引出线相连，另一端露出作为整个传感器的引出线，其特征在于，所述的金属膜圆形电极的半径小于圆形弹性振动膜片的半径，使所述传感器能够工作在大应变状态下，另外，所述电容压力传感器还包括多个绝缘材料凸点，其均匀布置在两片圆形弹性振动膜片之一和/或圆形金属膜电极上，用于防电极短路和起过载保护的作用。\n[0014] 作为本发明的进一步改进，所述的圆形弹性振动膜片的材料为氧化铝陶瓷。\n[0015] 作为本发明的进一步改进，所述的封接材料为低温玻璃。\n[0016] 所述绝缘材料制成的凸点起防电极短路和过载保护的作用。由于是离散分布的若干个点，其对振动膜应变的影响较之绝缘层来讲可以忽略不计，克服了前述专利中采用覆盖电极的绝缘层对振动膜形变带来的影响。\n[0017] 陶瓷电容压力传感器的电容电极和内外引线都由厚膜工艺制作，如丝网印刷技术和金属膜压延技术(如12微米厚度的压延铜箔)等；内引线和外引线间以无焊料方式焊接，如超声金属焊接。宽厚的膜和牢固的无焊剂结合平面既保证了电容可以有较高的品质因数Q，也为丝网印刷封接层等后序工序提供了便利。\n[0018] 上述技术方案可以获得对振动膜应变影响小的短路和过载保护措施，同时得到较高的品质因数和较大的相对电容变化量，适应基于SAW元件的无源无线传感系统的需求。\n附图说明\n[0019] 图1为双振动膜结构受力示意图；\n[0020] 图2为电容压力传感器的最大电容与初始电容间的关系；\n[0021] 图3为本发明的侧视图；图4为图3的俯视图；\n[0022] 图3、4中的相同标号表示传感器的同一个部位。标号对应部位名称分别为：\n[0023] 1圆形弹性振动膜片\n[0024] 2圆形弹性振动膜片或基底\n[0025] 3，4封接材料制作的圆环\n[0026] 5，6圆形金属膜电极\n[0027] 7，8电极内金属膜引出线\n[0028] 9，10外金属膜电极\n[0029] 11绝缘材料凸点\n具体实施方式\n[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。\n[0031] 本发明的电容压力传感器包括圆形弹性振动膜片1、圆形弹性振动膜片或基底2、封接材料制作的圆环3和4、圆形金属膜电极5和6、电极内金属膜引出线7和8、外金属膜电极9和10，以及多个绝缘材料凸点11\n[0032] 所述的圆形弹性振动膜片1，圆形弹性振动膜片或基底2采用键合工艺使其边缘粘结于封接圆环3、4之上，组成周边固支的弹性膜，作为检测压力的形变部件。振动膜片材料包括但不限于氧化铝陶瓷。\n[0033] 所述封接材料制作的圆环3和4处于圆形弹性振动膜片1、2之间，用于固定振动膜片1、2的边缘。封接材料包括但不限于低温玻璃。\n[0034] 所述圆形金属膜电极5设置在圆形弹性振动膜片1内侧，圆形金属膜电极6设置在圆形弹性振动膜片或基底2内侧，用于电容器的电极，其中所述金属膜圆形电极的半径小于圆形弹性振动膜片半径。\n[0035] 所述电极内金属膜引出线7和8制作时烧结前埋在封接材料制作的圆环3、4中间，用于连接圆形金属膜电极5、6和外金属膜电极9、10。电极内金属膜引出线7、8采用厚金属膜制作。\n[0036] 所述外金属膜电极9和10一端设置在封接材料制作的圆环3、4中间与电极内金属膜引出线7、8相连，另一端露出作为整个传感器的引出线。\n[0037] 所述多个绝缘材料凸点11设置在两个圆形弹性振动膜片之一或起支撑作用的圆形金属膜电极上。所述绝缘材料制成的凸点(图3、4)起防电极短路和过载保护的作用。由于是离散分布的若干个点，其对振动膜应变的影响较之绝缘层来讲可以忽略不计，克服了采用覆盖电极的绝缘层对振动膜形变带来的影响。\n[0038] 当外部压力变化时，圆形弹性振动膜片1和圆形弹性振动膜片或基底2发生形变，由于其两端均固定在封接材料制作的圆环3和4上，因此中间部分发生形变最大，形变随远离振动膜片中心而减小，至固定的边沿减小至零。圆形弹性振动膜片1和圆形弹性振动膜片或基底2处于大形变量工作状态，这样可以获得较大的电容相对变化量，从而使传感器的测量范围扩大。设置的绝缘材料凸点11可以起到防止振动膜片1、2过度变形或接触使电极短路的作用。随着1、2的形变，附着在1、2上的圆形金属膜电极5和6间距也发生了改变，因此它们之间的电容也相应发生了变化。通过电极内金属膜引出线7、8引出到外金属膜电极9、10，连接到外部的声表面波传感器，即可进行测量。\n[0039] 其中，所述圆形电极半径需要小于振动膜半径的依据为：周边固支的薄板型弹性振动膜在外力作用下，其中心点挠度d0最大，距离中心越远，挠度越小，如公式(1)所示。\n[0040] \n[0041] 其中a为振动膜半径，r为考察点距离振动膜中心的距离。\n[0042] 由于电容量的可加性，则施加压力后的总电容量为各挠曲微元电容的积分：\n[0043] \n[0044] \n[0045] \n[0046] 其中，tg为介质腔厚度，m为电容电极半径与振动膜半径的比值。\n[0047] 另外，初始电容的计算式为：\n[0048] \n[0049] 从上述两式可以得到初始电容与最大量程对应电容的关系，如当最小间距与初始间距比值k＝0.98，则m取不同值对两个电容之比的影响如图2所示。从图中可以看出，m越小，两个比值越大。当m＝0.37，最大电容约为初始电容的10倍。其原因在于，当电极半径r较小，则电极上的每一个点都有较大的挠度，对应整体上电容有较大的极距改变，从而电容值有较大的相对变化量(10左右)。