专利名称：一种厚膜力敏浆料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种应变式力敏传感器用的浆料，特别涉及加工力敏传感器应变电阻用的浆料，确切地说是一种低成本、高应变系数厚膜力敏传感器用的浆料及其制备方法。
背景技术：
近年来作为信号检测、信息获取的传感器技术日益受到国内外的高度重视，而且已成为当今电子信息技术发展最为迅速的学科之一。其中，力敏传感器涉及到力、压力、加速度、液位等多种物理量信息的感知、测试和转换，是应用最广、需求量和销售量最大的传感器品种。
目前，国内外力敏传感器一直以电阻应变式为主，其中主要是金属箔式、半导体硅压阻式两种。金属箔式应变计灵敏度低、应变系数仅为2，采用应变胶粘贴，易受温度、湿度等环境条件影响，并随时间老化，产生零点漂移，迟滞增大，传感器性能随时间变化；半导体硅压阻式应变系数高，然而因材料对温度非常敏感，环境温度影响大，工作温度范围窄(一般不超过60℃)，而且测量腐蚀性流体压力需要隔离、结构复杂、成本高，使其应用受到限制。近年来，虽有薄膜应变式等新型力敏传感器出现，但成本高、价格昂贵，难以满足日益增长的石化、冶金、工业过程控制等需求。
据报道，国内外制作厚膜力敏传感器的应变电阻浆料均采用商用厚膜电阻浆料。该商用厚膜电阻浆料(包括美国杜邦公司的厚膜电阻浆料)绝大多品种主要为厚膜混合集成电路配套，应变系数低，其应变系数GF(Gage Factor)，通常6～7左右。有的浆料从电路可靠性、稳定性考虑，甚至要求应变系数低。此状况已不能适应厚膜力敏传感器研究和产业化的需求。
发明内容
本厚膜力敏浆料是在基于氧化钌纳米粉体的新型导电相和玻璃相的混合料中加入有机溶剂后调制得到的一种浆料。本浆料可按所设计的应变电阻图形，通过丝网直接印刷在陶瓷基片上，经高温烧结后便得高应变系数的厚膜力敏传感器。
所述的导电相为钌酸铋，玻璃相为硼硅酸铅。本浆料由60～80wt％钌酸铋和余量为硼硅酸铅的混合料以及有机溶剂组成。混合料优选钌酸铋65～75wt％，余量为硼硅酸铅。
将配比量的钌酸铋和硼硅酸铅首先通过湿研磨混合均匀，经干燥脱去水份后加入有机溶剂搅拌均匀，投入球磨机中球磨3～6小时便得到厚膜力敏浆料。
所述的有机溶剂优选乙基纤维素和松油醇的混合溶剂，以含3～5％乙基纤维素的混合溶剂最佳。
本浆料还可以通过掺杂改性。掺杂即掺入纳米氧化物，以提高应变系数，降低温度系，调节或降低方阻。所述的纳米氧化物优选Al2O3、ZrO2、SiO2、MnO2等中的一种或两种以上混合氧化物。掺入量为1～5wt％，优选2～4wt％。
掺杂可以在制备导电相时掺入，同时进行高温固相反应。也可以在调浆时掺入。
本厚膜力敏浆料的制备方法包括导电相、玻璃相的制备、混合和调浆，其关键是导电相钌酸铋(Bi2Ru2O7)的制备。钌酸铋由氧化钌(RuO2)纳米粉体与氧化铋(Bi2O3)通过高温固相反应生成的。此属无机反应，可定量，即2mol RuO2和1mol Bi2O3首先通过球磨以混合均匀，然后于650～800℃条件下反应50～60分钟生成Bi2Ru2O7。
所述的RuO2纳米粉体是通过控制水合氧化钌(RuO2·H2O)的脱水温度和时间制备的。即RuO2·H2O于400～600℃条件下脱水50～65分钟便得到RuO2纳米粉体，平均粒径7～20nm。
玻璃相硼硅酸铅由Pb3O4、H3BO4、SiO2、MnCO3按比例混合后球磨，然后于1300～1400℃条件下熔融，最后冷淬，干燥过400目筛。
将配比量的Bi2Ru2O7和硼硅酸铅通过湿研磨充分混合，经干燥脱水后得到混合料。向该混合料中加入有机溶剂搅匀后于球磨机中球磨3～6小时便得到厚膜力敏浆料。
本浆料可制备应变系数高、性能稳定、耐腐蚀、工作温度范围宽、蠕变小的厚膜力敏传感器。按所设计的图形(导带为钯银)将浆料印刷在陶瓷基片上，平放15分钟，红外灯下烘30分钟。然后在峰值温度750～850℃下烧结10～45分钟。通过高温烧结，由厚膜力敏浆料形成的厚膜应变压阻和陶瓷弹性牢固地成为一体。长期载荷下，其应变电阻和弹性膜片的应变保护一致，避免了常用应变式传感器因胶粘贴应变电阻所引起蠕变、迟滞。
用本浆料制备的应变电阻应变系数GF为13～17，温度系数TCR≤±100ppm/℃，比扩散硅应变电阻小一个数量级以上。采用本发明设计研制的应变式厚膜力敏传感器，耐腐蚀、耐高温，工作温度范围宽、蠕变小，长期工作无塑性变形。不用隔离，弹性体可直接和腐蚀性酸、碱等气(液)体接触，在工业自动化过程控制、机电一体化等领域有着广阔的市场前景。
四、附图简明
图1是本传感器应变电阻阻值与载荷的关系2是RuO2纳米粉体的粒径分布图。
五具体实施例方式
1、RuO2纳米粉体的制备称取水合氧化钌(RuO2·H2O)放入镍舟内，然后置于高温炉中缓慢升温，在400～600℃范围内保温50～65分钟，冷却后出料便得到7～20nm的RuO2纳米粉体。
2、导电相Bi2Ru2O7的制备按2∶1摩尔比称取RuO2和Bi2O3投入研钵中研磨混合，然后用得星式球磨机球磨3～4小时，最后倾入石英舟内置高温炉中，缓慢升温，于650～800℃条件固相反应50～60分钟。
3、玻璃相硼硅酸铅的制备取Pb3O4、H3BO4、SiO2、MnCO3，依次按65％、14％、18～19％、1～3％(重量百分比)配比量称量，投入研钵中混合，并用行星式球磨机球磨1～2小时。出料移至坩埚内置高温炉中，于1350℃时熔融并保持20～30分钟，将熔融的玻璃料倒入冷水中冷淬，分离后干燥，过400目筛备用。
4、厚膜力敏浆料的制备(1)取60份Bi2Ru2O7和40份硼硅酸铅，加适量水于研钵中湿研磨2小时，干燥脱水后加入乙基纤维素和松油醇混合溶剂，用玻棒搅匀后投入行星式球磨机中，球磨3～6小时，即得到厚膜力敏浆料。
(2)取80份Bi2Ru2O7和20份硼硅酸铅，用含3％乙基纤维素、余为松油醇的混合溶剂，操作同例(1)。
(3)取65份Bi2Ru2O7和35份硼硅酸铅，用含5％乙基纤维素、余为松油醇的混合溶剂，操作同例(1)。
(4)取75份Bi2Ru2O7和25份硼硅酸铅，用含4％乙基纤维素、余为松油醇的混合溶剂，操作同例(1)。
(5)取68份Bi2Ru2O7和32份硼硅酸铅，用含4％乙基纤维素，余为松油醇的混合溶剂，操作同例(1)。
(6)、取72份Bi2Ru2O7和28份硼硅酸铅，用含4％乙基纤维素，余为松油醇的混合溶剂，操作同例(1)。
(7)、在上述例(1)～(6)中可以加入2～4％的Al2O3或/和ZrO2或/和SiO2或/和MnO2等，操作相同。
5、高应变系数力敏传感器的制备以96％的Al2O3基片为例，先按要求在陶瓷基片上设计图形(钯银为导带)，将例(1)～例(6)所得到的浆料印刷在陶瓷基片上，平放15分钟后于红外灯下烘半小时，然后入高温炉中，于750～850℃条件下烧结10～45分钟，即得到GF为13～17、TCR≤100ppm/℃的厚膜力敏传感器。
权利要求
1.一种厚膜力敏浆料，其特征在于本浆料由60～80wt％钌酸铋和余量为硼硅酸铅的混合料以及有机溶剂所组成。
2.根据权利要求1所述的厚膜力敏浆料，其特征在于所述的混合料由65～75wt％钌酸铋和余量为硼硅酸铅所组成。
3.根据权利要求1所述的厚膜力敏浆料，其特征在于所述的有机溶剂为乙基纤维素和松油醇的混合溶剂。
4.根据权利要求1或3所述的厚膜力敏浆料，其特征在于所述的混合溶剂为含3～5wt％乙基纤维素的混合溶剂。
5.根据权利要求1所述的厚膜力敏浆料，其特征在于所述的浆料中含有1～5wt％的纳米氧化物。
6.根据权利要求1或5所述的厚膜力敏浆料，其特征在于所述的氧化物选自Al2O3、ZrO2、SiO2、MnO2中的一种或两种以上。
7.根据权利要求6所述的厚膜力敏浆料，其特征在于氧化物掺入量为2～4wt％。
8.由权利要求1所述的一种厚膜力敏浆料的制备方法，包括导电相、玻璃相的制备、混合和调浆，其特征在于所述的导电相钌酸铋由氧化钌纳米粉体与氧化铋经混合均匀后于650～800℃条件下反应50～60分钟。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述的氧化钌纳米粉体是水合氧化钌于400～600℃条件下脱水50～60分钟，粉体平均粒径7～20nm。
全文摘要
一种厚膜力敏浆料由60～80％钌酸铋和20～40％硼硅酸铅混合料中加入有机溶剂调制得到的浆料。钌酸铋由氧化钌纳米粉体与氧化铋于650～800℃固相反应生成。氧化钌纳米粉体由水合氧化钌于400～600℃下脱水生成。本浆料可印刷在陶瓷基片上，通过高温烧结后得到高应变系数的厚膜力敏传感器。应变系数GF为13～17、温度系数TCR≤±100ppm/℃。耐腐蚀、耐高温，工作温度范围宽、蠕变小，长期工作无塑性变形。不用隔离，弹性体可直接和腐蚀性酸、碱等气(液)体接触，在工业自动化过程控制、机电一体化有着广阔的市场前景。
文档编号C09D5/24GK1805155SQ200510122889
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月3日 优先权日2005年12月3日
发明者马以武, 常慧敏, 李民强, 陈建群 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院