厚膜压力传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量元件，特别涉及一种厚膜压力传感器的结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]传统基于厚膜的应变压力传感器的弹性体都是采用陶瓷材料(A1203，96% )陶瓷材料有较好的绝缘性、机械强度和耐高温性，适应应变传感器的一般要求，但是，陶瓷基体的压力传感器至少有以下不足:
[0003]I)陶瓷材料是非金属材料，由于陶瓷材料加工工艺的限制，基于陶瓷弹性体的压力传感器在二次封装时只能采用装配结构，易产生装配应力，传感器的性能精度得不到保证；
[0004]2)由于陶瓷是脆性材料，韧性差，因而陶瓷弹性体的压力传感器只能应用于较低压力的测量，且其抗过载能力较低，而在高量程高过载有瞬时压力冲击的应用环境下，陶瓷弹性体显然不满足要求。
[0005]3)由于陶瓷弹性体本身材料特性，导致传感器在气密性封装上不能采用焊接工艺。市场上常见的陶瓷传感器都采用O形圈密封，例如美国Senseta公司的陶瓷传感器。但是O形圈密封存在两方面的问题，一是有些腐蚀性的压力传递介质对O形圈有腐蚀作用，导致传感器失效，即使介质对O形圈没有腐蚀作用，O形圈也会随时间的推移发生老化；另外，O形圈容易破损，长时间工作会产生变形，并且耐高温性能差，这些不足最终都会导致传感器的失效。
[0006]综上所述，对于一般要求较低的场合，基于陶瓷基体的压力传感器是可以适用的，而对于应用条件苛刻的领域，如航空航天，大型工程机械等领域，其显然不满足要求，从而使厚膜应变传感器应用领域受到了限制。而金属基体的厚膜传感器，由于金属本身的特性，使其满足苛刻条件下的使用要求。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种厚膜压力传感器的结构与制造方法。本发明包括:金属基体、介质层、厚膜应变电阻、导带、焊盘、绝缘保护层，其特征在于所述金属基体为厚膜应变传感器的弹性体，在金属弹性体上设置介质层，在介质层上布置厚膜应变电阻、导带、焊盘，所述的厚膜应变电阻通过导带和焊盘连接成惠斯通电桥(Wheatstone bridge),所述的厚膜应变电阻、导带和焊盘上设置有绝缘保护层。
[0008]本发明的厚膜压力传感器的制造方法，所述金属弹性体上通过丝网印刷和厚膜工艺制作有介质层，介质层是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在金属弹性体上，厚膜应变电阻、导带、焊盘是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在介质层上，所述介质层制作工艺步骤为:
[0009]a)选用165-325目的丝网在不锈钢基体上印刷介质浆料，总厚度为80_90微米；
[0010]b)印刷品在室温下放置3-10分钟，直到网纹消失；
[0011]c)印刷品在145-150°c的温度下干燥10分钟；
[0012]d)在850°C -860°C的峰值温度烧结10-12分钟；
[0013]所述厚膜应变电阻、导带、焊盘是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在介质层上，厚膜应变电阻具体制作工艺步骤为:
[0014]e)选用165-325目的丝网在介质层上印刷厚度为22_25微米的电阻浆料；
[0015]f)印刷品在室温下放置3-10分钟，直到网纹消失；
[0016]g)印刷品在1450C _150°C的温度下干燥10分钟；
[0017]h)在850°C -860°C的峰值温度烧结10-12分钟。
[0018]本发明的优点是介质层和厚膜应变电阻直接印制在金属弹性体上，通过高温烧结，和金属弹性体牢固地结成为一体。因此，厚膜压力传感器避免了常用的应变式传感器因使用粘接剂粘贴应变电阻所引起的蠕变和迟滞，性能更为稳定。同时，厚膜压力传感器工作温度范围宽(可以在一 50°C至200°C下正常工作)，温度系数小(一般小于100ppm/°C)，可测压力大(最高可达280MPa)，性能优良，可靠性高，厚膜工艺成熟，金属基体价格低廉，这都为金属基厚膜压力传感器大规模应用创造了良好的条件。
【附图说明】
[0019]图1本发明实施例一的结构示意图；
[0020]图2本发明实施例二的结构示意图；
[0021]图3本发明实施例一与例二中的厚膜电阻与导线布置示意图
[0022]图中:1金属基体、2介质层、2a第一层介质层、2b第二层介质层、2c第三层介质层、3为厚膜电阻导线与焊盘层、3a厚膜应变电阻、3b厚膜调阻电阻、3c焊盘、4绝缘保护层。
【具体实施方式】
[0023]实施例一
[0024]下面结合附图进一步说明本发明的实施例:参见图1和图3，本发明由金属基体1、介质层2、厚膜电阻导线与焊盘层3、厚膜应变电阻3a、厚膜调阻电阻3b、焊盘3c、绝缘保护层4组成。金属基体I为厚膜应变传感器的弹性体，在金属弹性体上设置介质层2，在介质层2上布置厚膜应变电阻3a、焊盘3c、导带。金属弹性体的材料为铁素体不锈钢，如430不锈钢，也可以采用航空合金，如哈斯特镍合金(hastalloy)、inconel合金等。该传感器和厚膜陶瓷传感器相比，除了具备其具有的一切优势外，其还具有更高的可靠性，更稳定的输出特性，更具竞争力的制造成本，更大的压力范围与抗压力过载能力。金属弹性体上通过丝网印刷和厚膜工艺制作有介质层2，通过丝网印刷和厚膜工艺在介质层2上制作有4个对称分布的厚膜应变电阻3a、两个厚膜调阻电阻3b、导带、焊盘3c，所述的厚膜应变电阻3a通过导带和焊盘连接成半开环的惠斯通电桥(Wheatstone bridge),所述的厚膜应变电阻3a和导带上印烧有绝缘保护层4。
[0025]金属弹性体I上通过丝网印刷和厚膜工艺制作有介质层2，介质层2是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在金属弹性体I上的，厚膜应变电阻3a、厚膜调阻电阻3b、导带、焊盘3c是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在介质层2上，介质层的具体工艺包含以下步骤:
[0026]a)选用165-325目的丝网在不锈钢基体上印刷介质浆料，总厚度80_90微米；
[0027]b)印刷品在室温下放置3-10分钟，直到网纹消失；
[0028]c)印刷品在1450C _150°C的温度下干燥10分钟；
[0029]d)在850°C -860°C的峰值温度烧结10-12分钟。
[0030]在本实施例中，介质层2是通过分层印刷然后烧结到金属基体I的，根据不同的介质浆料，有两种印烧顺序:
[0031](I)印刷第一层厚介质浆料2a并烘干后，立刻烧结，然后再按重复工艺印烧第二层2b和第三层2c，一般至少印烧三层。每一层介质浆料的印烧厚度约为28-30微米。
[0032](2)印刷第一层厚介质浆料2a并烘干后，暂不烧结，然后再按重复工艺印刷在第一层2a上印刷第二层2b和第三层2c，一般至少印刷三层，每一层介质浆料的印烧厚度约为28-30微米，然后将印刷的多层浆料一起烧结。
[0033]所述厚膜应变电阻3a、调阻电阻3b、导带、焊盘是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在介质层2上，厚膜应变电阻3a和厚膜调阻电阻3b的具体工艺步骤为:
[0034]e)选用165-325目的丝网在介质层2上印刷厚度22_25微米厚膜电阻浆料；
[0035]f)印刷品在室温下放置3-10分钟，直到网纹消失；
[0036]g)印刷品在1450C _150°C的温度下干燥10分钟；
[0037]h)在850°C -860°C的峰值温度烧结10-12分钟。
[0038]实施例二
[0039]实施例二与实施例一相同，所不同的是4个焊盘的其中一个焊盘被制作成剖开的形式，剖开处间距I?2毫米，厚膜调阻电阻短接在惠斯通电桥外。介质浆料不是分层印刷或者烧结的，而是一次性地印烧到金属基体上的，厚度为80-90微米，参见图2。
【主权项】
1.一种厚膜压力传感器，包括:金属基体、介质层、厚膜应变电阻、导带、焊盘、绝缘保护层，其特征在于所述金属基体为厚膜应变传感器的弹性体，在金属弹性体上设置介质层，在介质层上布置厚膜应变电阻、厚膜调阻电阻、导带、焊盘，所述的厚膜应变电阻通过导带和焊盘连接成惠斯通电桥，所述的厚膜应变电阻、导带和焊盘上设置有绝缘保护层。2.根据权利要求1所述的厚膜压力传感器，其特征在于所述金属弹性体为铁素体不锈钢或航空合金。3.根据权利要求1所述的厚膜压力传感器，其特征在于所述的厚膜调阻电阻短接在惠斯通电桥外。4.根据权利要求1所述的厚膜压力传感器，其特征在于所述的焊盘的其中个焊盘被制作成剖开的形式，剖开处间距I?2毫米。5.如权利要求1所述的厚膜压力传感器的制造方法，其特征在于所述金属弹性体上通过丝网印刷和厚膜工艺制作有介质层，介质层是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在金属弹性体上，厚膜应变电阻、导带、焊盘是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在介质层上，所述介质层的制作工艺步骤为: a)选用165-325目的丝网在不锈钢基体上印刷介质浆料，总厚度约80-90微米； b)印刷品在室温下放置3-10分钟，直到网纹消失； c)印刷品在1450C_150°C的温度下干燥10分钟； d)在850°C_860°C的峰值温度烧结10-12分钟； 所述厚膜应变电阻、导带、焊盘是采用丝网印刷和厚膜烧结工艺制作在介质层上，厚膜应变电阻具体制作工艺步骤为: e)选用165-325目的丝网在介质层上印刷厚度为22-25微米的电阻浆料； f)印刷品在室温下放置3-10分钟，直到网纹消失； g)印刷品在1450C_150°C的温度下干燥10分钟； h)在850°C-860°C的峰值温度烧结10-12分钟。
【专利摘要】一种厚膜压力传感器及其制造方法，包括:金属基体、介质层、厚膜应变电阻、导带、焊盘、绝缘保护层,其特征在于所述金属基体为厚膜应变传感器的弹性体，在金属弹性体上面设置介质层，在介质层上布置厚膜应变电阻、导带、焊盘，所述的厚膜应变电阻通过导带和焊盘连接成惠斯通电桥，厚膜应变电阻、导带和焊盘上印烧有绝缘保护层。本发明的优点是介质层和厚膜应变电阻直接印烧在金属弹性体上，性能稳定，厚膜压力传感器温度系数小，工作温度和量程范围宽，厚膜工艺成熟，金属基体价格低廉。
【IPC分类】G01L9/04
【公开号】CN105092138
【申请号】CN201410197042
【发明人】刘胜, 王小平, 李凡亮, 吴登峰, 曹万
【申请人】刘胜
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月12日