壓力傳感器是傳感器中較大門類，廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，陶瓷電容作為壓力傳感器中一種主要技術(shù)路線，具有耐腐蝕、抗沖擊、介質(zhì)兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，。本文介紹陶瓷電容原理及典型應(yīng)用，以供壓力傳感器工程人員參考。

 

 

壓力傳感器一般用于對(duì)傳感器敏感器件所處氣體或液體氛圍的壓力測(cè)量，一般用于反饋給系統(tǒng)主控單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確控制。壓力傳感器作為傳感器中的一大門類，在汽車、工業(yè)、家電、消費(fèi)電子等不同行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。常用壓力傳感器從感測(cè)原理來區(qū)分，主要包括如下幾大類：- 硅壓阻技術(shù)- 陶瓷電阻技術(shù)- 玻璃微熔技術(shù)- 陶瓷電容技術(shù)

 

硅壓阻技術(shù)由半導(dǎo)體的壓阻特性來實(shí)現(xiàn)，半導(dǎo)體材料的壓阻特性取決于材料種類、摻雜濃度和晶體的晶向等因素。該技術(shù)可以采用半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)，具有尺寸小，產(chǎn)量高、成本低、信號(hào)輸出靈敏度高等優(yōu)勢(shì)。不足之處主要體現(xiàn)在介質(zhì)耐受程度低，溫度特性差和長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差等方面。常見于中低壓量程范圍，如5kPa~700kPa。業(yè)界也有通過特殊封裝工藝提高硅壓阻技術(shù)的介質(zhì)耐受程度的方案，如充油、背壓等技術(shù)，但也會(huì)帶來成本大幅增加等問題。

 

陶瓷電阻技術(shù)采用厚膜印刷工藝將惠斯通電橋印刷在陶瓷結(jié)構(gòu)的表面，利用壓敏電阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)將介質(zhì)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。陶瓷電阻技術(shù)具有成本適中，工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)有較多廠家提供陶瓷電阻壓力傳感器芯體。但該技術(shù)信號(hào)輸出靈敏度低，量程一般限定在500kPa~10MPa，且常規(guī)中空結(jié)構(gòu)，僅靠膜片承壓，抗過載能力差，當(dāng)待測(cè)介質(zhì)壓力過載時(shí)，陶瓷電阻傳感器會(huì)存在膜片破裂，介質(zhì)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

 

玻璃微熔技術(shù)采用高溫?zé)Y(jié)工藝，將硅應(yīng)變計(jì)與不銹鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合。硅應(yīng)變計(jì)等效的四個(gè)電阻組成惠斯通電橋，當(dāng)不銹鋼膜片的另一側(cè)有介質(zhì)壓力時(shí)，不銹鋼膜片產(chǎn)生微小形變引起電橋變化，形成正比于壓力變化的電壓信號(hào)。玻璃微熔工藝實(shí)現(xiàn)難度較大，成本高。主要優(yōu)勢(shì)是介質(zhì)耐受性好，抗過載能力強(qiáng)，一般適用于高壓和超高壓量程，如10MPa~200MPa，應(yīng)用較為受限。

 

陶瓷電容技術(shù)采用固定式陶瓷基座和可動(dòng)陶瓷膜片結(jié)構(gòu)，可動(dòng)膜片通過玻璃漿料等方式與基座密封固定在一起。兩者之間內(nèi)側(cè)印刷電極圖形，從而形成一個(gè)可變電容，當(dāng)膜片上所承受的介質(zhì)壓力變化時(shí)兩者之間的電容量隨之發(fā)生變化，通過調(diào)理芯片將該信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)理后輸出給后級(jí)使用。陶瓷電容技術(shù)具有成本適中，量程范圍寬，溫度特性好、一致性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。國(guó)際上來看廣泛應(yīng)用于汽車與工業(yè)過程控制等領(lǐng)域，分別以美國(guó)森薩塔和瑞士E+H為代表。由于電容信號(hào)不同于電阻信號(hào)，對(duì)信號(hào)處理電路要求較高，傳感器設(shè)計(jì)時(shí)需要將電容和信號(hào)調(diào)理芯片ASIC協(xié)同考慮，國(guó)內(nèi)目前僅蘇州納芯微電子股份有限公司能夠同時(shí)提供兩者整合的完整解決方案。

 

 

陶瓷電容壓力傳感器芯體測(cè)壓原理

 

典型陶瓷電容壓力傳感器芯體為密封表壓結(jié)構(gòu)，由陶瓷基座和可變形膜片及中空密封腔體三部分組成，承壓面為可變形膜片，當(dāng)芯體承壓發(fā)生變化時(shí)，變形膜承壓后發(fā)生彎曲，導(dǎo)致基板間距發(fā)生變化，引起極板間電容的變化，電容變化通過調(diào)理芯片轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出（如0~5V電壓輸出、4~20mA電流輸出、I2C、SPI數(shù)字輸出等）。

 

圖1：陶瓷電容壓力傳感器承壓前截面圖

 

圖2：陶瓷電容壓力傳感器承壓后截面圖

 

 

為保證氣密性，在陶瓷電容壓力傳感器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)種，選用O型圈或者墊片作為密封的關(guān)鍵部件，其中O型圈更為常見。因?yàn)镺型圈具備優(yōu)良的線性密封特性，承壓范圍寬于墊片（墊片一般推薦用于2MPa以內(nèi)的密封）等優(yōu)點(diǎn)。

 

O型圈的尺寸、材質(zhì)、硬度等參數(shù)選擇將直接影響最終壓力傳感器的產(chǎn)品性能，需要結(jié)合總成尺寸、待測(cè)介質(zhì)類型、工作溫度范圍等因素綜合考慮后選型。

 

壓力傳感器中常見的O型圈材料有三元乙丙橡膠（EPDM），氫化丁腈橡膠（HNBR），硅橡膠（QM），氯丁橡膠（CR）、氟橡膠（FKM）、氟硅橡膠（MFQ）等。

 

圖3：典型O型圈材料的使用溫度范圍（source：Parker）

 

一般來說，汽車空調(diào)壓力傳感器，采用HNBR或CR材料的O型圈，機(jī)油壓力傳感器采用氟橡膠等。汽車氣剎壓力傳感器可采用硅橡膠材料的O型圈；即便是同一種類材料，各生產(chǎn)廠家通過特殊的摻雜或者聚合處理，可擴(kuò)展其使用溫度范圍。同一種傳感器應(yīng)用，可能存在多種可選的材料進(jìn)行匹配，在具體使用時(shí)，應(yīng)與O型圈廠家進(jìn)行咨詢確認(rèn)后，選擇合適的O型圈材料及牌號(hào)進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

 

陶瓷電容壓力傳感器的一般密封結(jié)構(gòu)如下圖所示：

 

 

圖4：陶瓷電容典型密封結(jié)構(gòu)示意圖

 

壓力傳感器裝配完成后，陶瓷電容底部需要與金屬外殼保持一定的距離（上圖中間隙）。一般陶瓷電容壓力傳感器承受正壓，因此僅保留O型圈槽外圈，以降低加工難度。

 

通過控制上圖中臺(tái)階一與O型圈槽底的高度差，對(duì)O型圈壓縮量進(jìn)行控制。

 

臺(tái)階二與O型圈槽底構(gòu)成O型圈槽，對(duì)O型圈裝配位置進(jìn)行限定，另需要O型圈槽的槽頂進(jìn)行倒圓角以防止O型圈承壓后被殼體切割，對(duì)O型圈槽底倒圓角以降低裝配應(yīng)力。

 

 

陶瓷電容壓力傳感器因其耐腐蝕、抗沖擊、無遲滯、介質(zhì)兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)可以廣泛應(yīng)用在水、氣、液多種介質(zhì)的壓力檢測(cè)，尤其適合于汽車系統(tǒng)的惡劣環(huán)境下工作。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)及家電等壓力傳感器的新興應(yīng)用市場(chǎng)，陶瓷電容抗沖擊優(yōu)勢(shì)可以應(yīng)用于供水管網(wǎng)的水壓測(cè)量，完美應(yīng)對(duì)水錘效應(yīng)；針對(duì)可變壓力的壓力煲應(yīng)用，陶瓷電容平膜結(jié)構(gòu)可以避免堵塞。

 

汽車領(lǐng)域陶瓷電容壓力傳感器典型應(yīng)用如下表所示：

 

表1：汽車領(lǐng)域陶瓷電容壓力傳感器典型應(yīng)用

 

 

物聯(lián)網(wǎng)及家電領(lǐng)域陶瓷電容壓力傳感器典型應(yīng)用如下表所示：

 

表2：汽車領(lǐng)域陶瓷電容壓力傳感器典型應(yīng)用

 

 

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