高精度陶瓷压力传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种高精度陶瓷压力传感器。


背景技术：

2.目前，公告号为cn208043306u的中国实用新型专利，公开了一种新型陶瓷压力传感器，包括基座，芯体，垫片，卡簧，电缆，压力转接件，第一密封圈，第二密封圈；垫片和卡簧分别安装于基座内壁上；垫片位于卡簧与芯体之间且与卡簧与芯体分别连接；芯体安装于基座上，压力转接件安装于基座上并抵接于芯体；压力转接件与基座之间设有第一密封圈，压力转接件与芯体之间设有第二密封圈。
3.这种现有的陶瓷压力传感器结构复杂，任意一个零部件老化和损坏均会影响其精度，而且零件较多，也提高了生产成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高精度陶瓷压力传感器，其优点是结构简单生产成本低，而且精度高。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高精度陶瓷压力传感器，包括陶瓷基体、分别设置在陶瓷基体两侧的信号调理模块和压力传感模块，所述信号调理模块和压力传感模块电信号连接；所述信号调理模块包括pcb板和连接在pcb板上的调理芯片；所述压力传感模块包括应变膜片和设置于应变膜片上的压力传感器，所述压力传感器和pcb板之间设置有电连接和机械连接结构。
6.通过上述技术方案，pcb板用于固定安装调理芯片，调理芯片用于给压力传感器激励，并且能够高精度的检测出传感器的输出信号，同时会对一些温度系数等非理想因素进行修正和补偿；应变膜片用于在受到压力时产生形变，压力传感器受到压力从而使电路中的电信号产生变化；利用应变膜片本身的弹性较好的实现了受力形变，不受力恢复的特性，使得本传感器区别于传统的传感器中采用弹簧进行受力形变和复原的方案，降低了生产难度，也减少了零部件，从而较好的降低了生产成本，而且测量精度也可以根据需要对应变膜片的厚度进行调节，以适应不同精度要求和量程范围的需求，从而较好的确保了本传感器的测量精度。
7.本发明进一步设置为：所述电连接结构包括贯穿陶瓷基体的焊锡孔和填充于所述焊锡孔中的电连接焊锡。
8.通过上述技术方案，焊锡孔用于容纳电连接焊锡，电连接焊锡一方面起到电连接压力传感器和pcb板上的电路的作用，另一方面还可以加强压力传感器和pcb板机械连接的牢固性和连接强度。
9.本发明进一步设置为：所述陶瓷基体的两侧分别设置有连接pcb板和应变膜片的机械连接结构，所述机械连接结构包括环形连接焊锡、弧形连接焊锡和圆柱连接焊锡。
10.通过上述技术方案，机械连接结构将应变膜片和陶瓷厚板连接起来，并使两者之间产生一定的距离，为应变膜片的形变提供了足够的空间。此外，环形连接焊锡、弧形连接焊锡和圆柱连接焊锡还充分利用有限的空间，采用多种不同截面形状的连接结构对pcb板和应变膜片进行连接，以更好的提高pcb板和应变膜片连接的牢固性和稳定性。同时，回流焊锡的温度相较于玻璃浆料烧结等封接手段工艺温度较低，在焊接时造成的零位漂移和电阻变化更小，能够更好的提高本传感器的精度。本发明进一步设置为：所述应变膜片为正方形片状，所述环形连接焊锡的圆心位于应变膜片的中心位置；所述圆柱连接焊锡和弧形连接焊锡绕环形连接焊锡的圆心圆周分布有多个。
11.通过上述技术方案，应变膜片为高度对称结构，连接应变膜片和陶瓷基体的连接焊锡均沿应变膜片的中心均匀分布；使得应变膜片与陶瓷基体之间的相互作用力更加均匀，从而后续应变膜片受力时，其能更加均匀的产生形变，以提高测量压力的准确性。
12.本发明进一步设置为：所述应变膜片为陶瓷膜片。
13.通过上述技术方案，陶瓷相比于以硅等其他基材的压力传感器，具有更强的介质兼容性和基体强度，可以应用于高压力、恶劣环境的条件。
14.本发明进一步设置为：所述应变膜片的长宽尺寸为1.2
±
0.05cm*1.2
±
0.05cm，厚度依照传感器量程，可设计为0.2mm-0.4mm。。
15.通过上述技术方案，1.2cm*1.2cm的尺寸使得应变膜片所占面积更小，从而本传感器能够应用到更小的空间中，例如水管和气体管路内部等狭小空间中；应变膜片的厚度越厚，量程越大，但是精度也有受到影响；应变膜片的厚度越薄，量程越小，同时精度会提高，也越容易破裂；当应变膜片设置为0.25mm-0.3mm时，是一个适中的厚度范围，此时的压力传感器的量程可达0-1000kpa，而且精度可达1% fs。
16.本发明进一步设置为：所述陶瓷基体与pcb板和应变膜片之间的机械连接结构采用回流焊的焊接方法焊接。
17.通过上述技术方案，回流焊工艺的温度更易控制，而且制造成本也更易容易控制，从而能够较好的降低本传感器的生产成本。
18.本发明进一步设置为：所述陶瓷基体与应变膜片之间的距离为50μm-100μm。
19.通过上述技术方案，50μm-100μm的距离为应变膜片留足了充分的形变空间；而且在应变膜片发生形变时，变形到一定程度后，应变膜会与陶瓷厚板抵接，此时陶瓷厚板能够起到限位作用，能够有效保护薄片；进而在过压及液锤冲击时，保护膜片不破损。
20.综上所述，本发明具有以下有益效果：1.本传感器采用陶瓷基体、调理芯片、应变膜片和压力传感器即可实现对压力的检测，结构简单，易于生产，较好的降低了生产成本；而且调理芯片可以较好的修正由温度变化带来的影响；2.应变膜片采用陶瓷烧结，并制作成薄片状，从而使得应变膜片在受力后会产生弹性变形，而无需采用弹簧等额外的弹性材料。
21.3.压力传感器在受到过压、液锤冲击时，陶瓷厚板可以起到限位作用，从而有效保护薄片不破损，极大的提高了本传感器的可靠性。
附图说明
22.图1是本实施例的信号调理模块的结构示意图；图2是本实施例的压力传感模块的结构示意图；图3a是本实施例的应变膜片受到正常压力时的变化状态示意图；图3b是本实施例的应变膜片受到过大压力时的变化状态示意图。
23.附图标记：1、陶瓷基体；2、信号调理模块；3、压力传感模块；4、pcb板；5、调理芯片；6、应变膜片；7、压力传感器；9、电连接结构；10、焊锡孔；11、电连接焊锡；12、机械连接结构；13、环形连接焊锡；14、弧形连接焊锡；15、圆柱连接焊锡。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
25.实施例：参考图1和图2，一种高精度陶瓷压力传感器，包括陶瓷基体1、陶瓷基体1的两侧分别固定有信号调理模块2和压力传感模块3；信号调理模块2包括pcb板4和调理芯片5，调理芯片5与pcb板4中的铜层电连接。
26.参考图2，压力传感模块3包括应变膜片6和压力传感器7，压力传感器7固定设置于应变膜片6朝向陶瓷基体1的一侧，应变膜片6背离压力传感器7的一侧承受压力，压力传感器7由应变膜片6一侧印刷的厚膜电阻连接成的惠斯通电桥构成，利用压阻效应，实现将介质的压力信号转换为电压信号；应变膜片6受到压力时会产生微小的形变，此时接入压力传感器7中的电阻值会产生变化，从而实现对压力的检测。
27.参考图1，陶瓷基体1和应变膜片6均为正方形的片状结构，应变膜片6和陶瓷基体1的长宽尺寸为1.2
±
0.05cm*1.2
±
0.05cm，应变膜片6和陶瓷基体1的长宽尺寸优选为1.2cm*1.2cm；其中陶瓷基体1的厚度为2
±
0.1mm；应变膜片6为陶瓷烧结而成的陶瓷膜片，应变膜片6的厚度为0.2mm-0.4mm，当应变膜片设置为0.25mm-0.3mm时，压力传感器的量程可达0-1000kpa，而且精度可达1% fs。。
28.参考图2，压力传感器7和pcb板4之间设置有电连接结构9，电连接结构9包括焊锡孔10和电连接焊锡11，焊锡孔10贯穿陶瓷基体1设置，电连接焊锡11填充于焊锡孔10中并分别与pcb板4中的铜层和压力传感器7电连接。
29.参考图2，陶瓷基体1的两侧分别设置有连接pcb板4和应变膜片6的机械连接结构12，机械连接结构12包括环形连接焊锡13、弧形连接焊锡14和圆柱连接焊锡15；其中，环形连接焊锡13的圆心位于应变膜片6的中心位置，圆柱连接焊锡15和弧形连接焊锡14绕环形连接焊锡13的圆心圆周方向分布有四个，四个圆柱连接焊锡15分别设置在靠近应变膜片6的四角处，弧形连接焊锡14设置在环形连接焊锡13的内侧；环形连接焊锡13、弧形连接焊锡14和圆柱连接焊锡15的分布充分利用了陶瓷基体1上的空间，并且采用的是高度对称的分布，以便应变膜片6和陶瓷基体1之间的相互作用力分布的更加均匀，以提高本传感器测量的精度。
30.参考图2和图3a，陶瓷基体1与pcb板4和应变膜片6之间的机械连接结构12采用回流焊的焊接方法焊接；陶瓷基体1与应变膜片6之间的距离为50μm-100μm，优选为50μm，50μm的距离已经能够为应变膜片6的形变提供足够的空间；
参考图3b，当应变膜片6在受到压力冲击时，陶瓷基体1发生较大形变时，陶瓷基体1能够起到一定的支撑作用，较好的避免应变膜片6发生开裂的情况。
31.工作原理简述：首先调理芯片5给压力传感器7一个电压或电流激励，应变膜片6受到外部的气体或者液体的压力时，应变膜片6发生形变，此时接入到压力传感器7中的四个电阻的电阻值产生不同方向的变化，并通过惠斯通电桥连接，输出一个与外界压力成比例的电压值，从而实现压力的检测。
32.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。