陶瓷压力传感器的结构及特性
JHM2102在压容陶瓷传感器上的应用
JHM2102在压容陶瓷传感器上的应用北京久好电子科技有限公司刘海军2019年5月21日一、压力传感器的种类及特点压力传感器的种类有溅射薄膜、硅压阻、应变片、蓝宝石、玻璃微熔、陶瓷压阻、陶瓷压容等，国内大批量生产主要是硅压阻、陶瓷压阻、玻璃微熔和陶瓷压容，下面分别介绍下这几种类型传感器的特点：1.硅压阻：利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，通过集成电路工艺和MEMS加工工艺研制出了硅压阻传感器，目前硅压阻最小尺寸可以做到0.5*0.5mm以内，这样一片8寸晶圆上就可以切割出近10万支压力传感器。
硅压阻传感器作为微型传感器中的一种，具有尺寸小，产量高、成本低、过载能力强、抗干扰能力强、信号输出灵敏度高等优点。
由于常规封装一般采用正压结构，一般只可以测量一些纯净的没有腐蚀性的介质，温度漂移较大，满量程温漂达到0.15%F.S/℃。
目前硅压阻压力芯体常用的非隔离和隔离两种封装结构，非隔离式一般封装在塑料外壳内，硅片表面点硅凝胶保护，这种结构比较适合车用进气歧管压力、胎压和大气压力的测量，量程和成本优势明显，也有用点特殊胶水封装后应用与机油、水、尾气压力测量的，但使用寿命问题难以解决。
隔离封装一般使用金属膜片内部充油方法，这种封装方式可用于机油、冷媒、燃油、尾气等有腐蚀性或污染严重介质，但由于充油工艺复杂生产成本高，相对于其它种类的传感器来说性价比不是很明显。
除了以上的两种封装方式，目前国内厂家在开发一种倒封装结构，这种结构由硅片背面直接与介质接触，可以避免硅片表面的电路被腐蚀和污染的风险。
倒封装工艺一旦成熟一定可以使硅压阻传感器适合更多的应用。
图1-1 扩散硅压力芯体2.陶瓷压阻：陶瓷电阻技术采用厚膜印刷工艺将惠斯通电桥印刷在陶瓷结构的表面，利用压敏电阻效应，实现将介质的压力信号转换为电压信号。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。
陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，电气绝缘程度2kV，这样高的绝缘强度其它传感器很难做到，目前国内有较多厂家提供陶瓷电阻压力传感器芯体。
压电陶瓷传感器结构
压电陶瓷传感器结构
压电陶瓷传感器是一种利用压电效应测量压力变化的传感器，它的主要结构包括以下几部分：
1. 压电陶瓷片：压电陶瓷片是压电传感器的核心部件，一般采用具有压电性能的陶瓷材料制成。
当外力施加在陶瓷片上时，会产生电荷积聚，从而产生电压信号。
2. 机械支撑结构：为了使压力能够均匀地传递到压电陶瓷片上，传感器通常会采用机械支撑结构来支撑压力加载区域。
这样可以确保传感器对压力的测量更为准确。
3. 金属壳体：为了保护压电陶瓷片以及其他电子元件，压电传感器常常会采用金属壳体作为外壳。
金属壳体还可以提供电磁屏蔽的功能。
4. 电路板：压电传感器还包括一个电路板，用于放置和连接陶瓷片、信号放大器和数据处理电路。
电路板上的元件可以将陶瓷片产生的微小电荷转化为可用的电压信号。
总体来说，压电陶瓷传感器结构简单，但功能强大，可以广泛应用于压力、力、加速度等物理量的测量。
压力传感器 陶瓷 扩散硅
压力传感器陶瓷扩散硅
压力传感器是一种用于测量压力的装置，它可以将压力信号转换成电信号输出。
而陶瓷和扩散硅都是常见的压力传感器的制造材料。
首先，让我们来谈谈陶瓷。
陶瓷材料通常被用于制造压力传感器的压阻式传感器元件。
陶瓷材料具有优良的耐磨损性和化学稳定性，能够在恶劣的环境中工作。
此外，陶瓷材料还具有良好的机械性能和稳定的电学特性，使得它成为制造压力传感器的理想材料之一。
其次，扩散硅也是制造压力传感器常用的材料之一。
扩散硅压力传感器是利用硅材料的压阻效应来测量压力的。
扩散硅具有良好的线性和稳定性，能够提供精确的压力测量。
此外，扩散硅制造的压力传感器还具有体积小、重量轻和功耗低的优点，适用于一些对体积和重量要求较高的场合。
综上所述，陶瓷和扩散硅都是常见的压力传感器制造材料，它们各自具有独特的优点和适用范围。
在选择压力传感器时，需要根
据实际应用需求来确定使用哪种材料的压力传感器，以确保能够获得最佳的测量效果。
一种陶瓷电容式压力传感器的设计和实验研究
五、结果 根据上述模型，我们设计制作了两组陶瓷压力传感器的
样品，并且对样品进行了压力实验和温度稳定性实验。为了 避免后处理电路影响传感器的力学特性和稳定性，我们没有 采用后处理电路，而是直接测量传感器的电容和压力、温度 的关系。
样品使用了直径分别为 40mm 和 28mm，厚度为 1mm 的 两组 Al2O3 陶瓷弹性膜片，将钯银浆料通过厚膜丝网印刷在 膜片上形成可动和固定电极，并在 800°度高温下烧结玻璃体 粘结密封，形成双电容结构。
测量值
测量值
The Design And Fabrication Of A Type Of Ceramic Capacity Pressure Sensor
传感器电容（pF）
传感器电容（pF）
Abstract: The ceramic capacitive
pressure sensor is the anticorrosion,
3
−
R2
r4 3
−
r4 2
+ R4
r2 3
−
r2 2
⎤ ⎥
⎫ ⎬（11）
⎦⎭
式中，r1—测量电容的半径； r2—参考电容的内径； r3—参考电容外径； Cp0—压力为 0 时测量电容的值； Cr0—压力为 0 时参考电容的值； K=3(1-µ2)/16Eh3。
从上面的模型可以看出，当膜片发生小挠度变形时（即 d0<<h），两个电容的变化量和膜片所受的压力成正比，通过 测量电容可以得到传感器所受的压力。
故可以忽略。
(3）假设膜片仅受压力作用，不考虑残余应力和预紧力
的影响。
在这些假设下，Timoshenko 对各种板壳的受力变形，给
出了很好的力学分析。对于小变形，文献[1]给出了计算公式。
集成式陶瓷压力传感器结构设计与测试分析
集成式陶瓷压力传感器结构设计与测试分析目录一、内容描述 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状及发展趋势 (3)二、集成式陶瓷压力传感器结构设计 (4)2.1 传感器结构设计原则与方法 (6)2.2 传感器结构类型选择 (7)2.3 传感器内部电路设计 (8)三、集成式陶瓷压力传感器性能测试与评价 (10)3.1 测试方法与设备 (11)3.2 功能特性测试 (12)3.3 精度与稳定性测试 (13)3.4 高低温适应性测试 (14)四、集成式陶瓷压力传感器应用案例分析 (15)4.1 应用领域概述 (16)4.2 具体应用案例介绍 (17)五、结论与展望 (18)5.1 研究成果总结 (18)5.2 发展前景与展望 (20)一、内容描述本文档主要研究集成式陶瓷压力传感器的结构设计与测试分析。
集成式陶瓷压力传感器具有体积小、精度高、耐腐蚀等优点，因此在航空航天、汽车、石油化工等领域具有广泛的应用前景。
本文首先介绍了集成式陶瓷压力传感器的工作原理和结构组成，然后重点分析了传感器在结构设计方面的优化方法，包括陶瓷材料的选型、薄膜的制备工艺、电路的集成方式等。
我们还探讨了传感器在不同温度、湿度等环境条件下的性能表现，以及如何通过标定和补偿手段提高传感器的测量精度和稳定性。
为了验证优化后的结构设计方案的有效性，我们进行了实验测试。
实验内容包括：在不同温度和湿度条件下对传感器进行性能测试，观察其输出信号的变化；对传感器进行静态压力校准，评估其测量精度；以及在不同温度和压力条件下对传感器进行长时间稳定性的测试。
通过对实验结果的分析，我们可以得出集成式陶瓷压力传感器的结构优化措施是有效的，能够满足不同应用场景的需求。
本文档旨在为集成式陶瓷压力传感器的进一步研究和应用提供参考和借鉴。
1.1 研究背景与意义随着科技的不断发展，传感器技术在各个领域中得到了广泛的应用。
压力传感器作为传感器家族中的一个重要成员，其在工业生产、汽车制造、医疗设备等领域具有重要的作用。
陶瓷传感器的特点分析
抗过载和抗冲击能力强，过压可达量程的数40倍。
◇采用了进口陶瓷电容传感器，信号输出大，综合精度高且稳定性好。
◇由于取消了测量元件的中介液，固温度漂移小。
◇压力范围大，从微压0.5kPa到高压100MPa，有正负复合压可选。
◇纯净的陶瓷基体不会产生工艺污染，适用于食品、医药行业。
◇抗干扰能力强，防水、防尘、防震、防爆、防腐。
◇本安防爆，防爆等级ExiaIICT5UCS2压力传感器是E+H公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷电容压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。
陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达-40～125℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。
其最大特点是：量程可以小到500Pa，抗过载能力可达量程的200倍，彻底解决了其它类型传感器没有小量程及在小量程时过载能力差的缺点，它除具有一般传感器的量程外，其最具特色的是它的正负表压功能，如：±1kPa，±10kPa等。
UCS2干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高输出，广量程，特别适合制造高性能的工业控制用压力变送器。
大圆形膜片表面平整、易安装，是欧美E+H、ABB、Honeywell Emerson VEGA等公司压力变送器生产首选传感器。
坚固的陶瓷电容敏感膜片自带厚膜电路输出0.5-4.5V卓越的抗腐蚀、抗磨损性能平整的大圆形膜片,易安装高精度、高稳定性宽的工作温度范围响应迅速,无迟滞量程迁移比达10:1可进行无源标定三、工作原理抗腐蚀的干式陶瓷电容压力传感器没有液体的传递，过程压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，衬底的电极与膜片电极的电容量变化比例与压力大小，使膜片产生0.03mm的位移，电容的变化值经激光微调，传感器专用信号调理电路ASIC放大输出高达4000mV的直流电压，内置的温度传感器不断测量介质的温度并进行温度补偿。
过载时，膜片贴到陶瓷衬底上而不会损坏。
当压力恢复到正常时，其性能不受任何影响。
压力传感器说明
陶瓷压阻式压力传感器陶瓷压阻式压力传感器 概述：陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料，并具有绝佳的热稳定性。
高性能、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也被越来越多的用户所接受。
陶瓷压阻式压力传感器，是在净化环境下通过高温烧结工艺直接将惠斯通电桥和补偿电路沉淀在印陶瓷膜片上，并通过激光刻蚀方法调整偏移量和温度特性，因此具有测量精度高、长期稳定性好、耐高温、耐腐蚀、抗冲击等优点，广泛使用于汽车、工业控制以及食品、医药等领域。
外形尺寸外形尺寸：：1、电源正 2、 传感器输出负 3、 电源负4、 传感器输出正 主要技主要技术指标术指标术指标：：1．外形尺寸：φ18.0×6.35 mm2．量程范围：0－250 bar3．工作电压：2－40V4．零点输出：± 1 mv5．输出灵敏度：2-4mv/V 典型值2±0.2 mv/V6．线性、迟滞、重复性：0.1 %7．响应时间：<1mS8．使用温度：－55～150℃9．温度漂移：±0.01%FS/℃、±0.02%FS/℃10. 安全过载：3倍额定量程(灵敏度为典型值时)11．稳定性： 优于0.15 %FS / 年汽车机油压力变送器概述：汽车机油压力变送器选用高精度、高稳定性的干式陶瓷压阻式压力传感器敏感芯体，并集成专用调理芯片，对传感器的便宜、灵敏度、温漂进行补偿，将被测介质的压力转换成标准电信号。
高质量的传感器、全自动的贴片和激光调校生产线、精湛的封装技术、完善的装配工艺确保了该产品的高质量和优异性能。
本产品提供多种螺纹接口形式和引线方法，能够最大限度的满足客户的需求。
特点特点：集成度高、体积小；精度高、稳定性好、功耗低、一致性好；抗腐蚀能力强；抗过载冲击和干扰能力强；过压过流保护；适用温度范围广。
技术参数技术参数：：1、 量程范围：0-10bar （可定制）2、 供电电压：5±0.25V DC（最低2.7V DC）3、 输出方式：比例电压输出 0.5-4.5v 标准信号输出（可定制）4、 综合精度：0.5% 1% （0-80℃）5、 工作温度：-40~125℃6、 响应时间：＜1ms7、 温度漂移：＜±0.01%FS/℃8、 线性、迟滞、重复性：＜0.1%9、 稳定性：优于0.15%FS/年10、外壳材料：不锈钢 11、外壳防护等级：IP65 12、螺纹接口：1/8NPT 1/4NPT M20*1.5 M18*1.5 (外螺纹)用户可自选 13、电气连接：标准Packard Metri-pack 连接器 14、接线方式：三线制电压：红（+） 黑（地） 绿（输出）概述：电压输出型压力变送模块，采用陶瓷压阻式压力传感器做为敏感元件，并用本公司自行研发的芯片对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行补偿，具有集成度高、体积小、精度高、一致性好、抗干扰能力强、响应速度快、温度范围宽等卓越特性。
陶瓷压力传感器工作原理
陶瓷压力传感器工作原理
在工作过程中，传感器芯片通过陶瓷的压电效应将输入的压力信号转
换成电荷信号。
压电效应是指某些晶体材料在受到压力或形变作用时，能
够产生电荷的现象。
在陶瓷压力传感器中，当外加压力作用在传感器芯片
上时，陶瓷片会发生微小的形变，进而引起表面上的电荷分布发生变化。
传感器芯片将这个变化的电荷分布转化为电信号，其转换机制可以通
过差分电荷放大器来实现。
差分电荷放大器将传感器芯片的输出信号进行
放大，并通过连接电缆传输给外部系统。
除了压电效应外，陶瓷材料还具有较低的热膨胀系数和较高的刚性，
这使得陶瓷压力传感器在宽温度范围内能够提供稳定的测量结果。
同时，
陶瓷材料还具有优异的耐腐蚀性能和耐磨性，使得陶瓷压力传感器适用于
各种恶劣环境下的应用。
需要注意的是，陶瓷压力传感器在使用过程中需要避免超载和过压操作，以免损坏传感器芯片。
此外，不同压力范围的压力传感器需要根据具
体应用需求进行选择，并进行合适的校准和调试，以保证准确的测量结果。
总结起来，陶瓷压力传感器利用陶瓷材料的压电效应将压力信号转换
成电荷信号，并通过差分电荷放大器进行放大和传输。
陶瓷材料的特性使
得陶瓷压力传感器具有稳定性高、耐腐蚀性能好等优点，适用于广泛的应
用领域，如工业制造、汽车工程、医疗设备等。
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1陶瓷压力传感器通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷压力传感器的基本结构
陶瓷压力传感器主要由瓷环、陶瓷膜片和陶瓷盖板三部分组成。
陶瓷膜片作为感力弹性体，采用95%的AL2O3瓷精加工而成，要求平整、均匀、质密，其厚度与有效半径视设计量程而定。
瓷环采用热压铸工艺高温烧制成型。
陶瓷膜片与瓷环之间采用高温玻璃浆料，通过厚膜印刷、热烧成技术烧制在一起，形成周边固支的感力杯状弹性体，即在陶瓷的周边固支部分应形成无蠕变的刚性结构。
在陶瓷膜片上表面，即瓷杯底部，用厚膜工艺技术做成传感器的电路。
陶瓷盖板下部的圆形凹槽使盖板与膜片之间形成一定间隙，通过限位可防止膜片过载时因过度弯曲而破裂，形成对传感器的抗过载保护。
陶瓷压力传感器的产品特性
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。
陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。
电气绝缘程度》2kV，输出信号强，长期稳定性好。
高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
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