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一种陶瓷传感器及其制备方法

2021-02-07 12:46:47

一种陶瓷传感器及其制备方法

  技术领域

  本发明涉及传感器领域,特别是涉及一种陶瓷传感器及其制备方法。

  背景技术

  现有的陶瓷传感器,如陶瓷电容压力传感器,是在陶瓷弹性薄片和陶瓷底座的相对表面分别设置电极,并通过封接材料(如玻璃浆)将陶瓷弹性薄片和陶瓷底座进行封接,以此在它们的相对表面之间形成空腔结构,此外,在陶瓷底座上预留有通孔,通过在通孔中插针的方式来将内部电极引出。现在的陶瓷电容压力传感器存在密封性不好的问题,进而存在可靠性差等问题。

  发明内容

  为了弥补上述现有技术的不足,本发明提出一种陶瓷传感器及其制备方法。

  本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决:

  一种陶瓷传感器,包括陶瓷弾性薄片、陶瓷底座和导电通道;所述陶瓷弾性薄片的底面的中部区域和所述陶瓷底座的顶面的中部区域之间形成有空腔,所述陶瓷弾性薄片的厚度小于所述陶瓷底座的厚度;所述空腔对应的所述陶瓷弾性薄片的底面上具有公共电极,所述空腔对应的所述陶瓷底座的顶面的中心区域上具有感压电极和参考电极,所述参考电极呈环形,与所述感压电极同心并环绕在所述感压电极的外面与所述感压电极间隔开;所述公共电极在所述空腔对应的所述陶瓷底座的顶面上的投影完全覆盖所述感压电极和所述参考电极两者;所述导电通道设置在所述陶瓷底座上,由通道孔和填满所述通道孔的导电电极组成,包括与所述公共电极连接的第一导电通道、与所述感压电极连接的第二导电通道以及与所述参考电极连接的第三导电通道,各导电电极贯穿出所述陶瓷底座的底部而具有引出端;所述陶瓷弾性薄片、所述陶瓷底座和所述导电通道经烧结后形成为一体结构。

  优选地,还包括感温电极,所述感温电极形成在所述陶瓷底座内,所述导电通道还包括与所述感温电极连接的第四导电通道和第五导电通道。

  优选地,各导电电极的引出端进行电镀处理后分别形成有一焊接层。

  优选地,所述感压电极和所述参考电极的间隔为0.1mm~0.8mm。

  一种陶瓷传感器的制备方法,包括如下步骤:

  (1)制备若干条第一生带、一条第二生带、若干条第三生带和一条第四生带,且在每条第三生带上开孔以形成所述导电通道的通道孔;

  其中,所述若干条第一生带和所述若干条第三生带均由第一陶瓷浆料进行流延和烘干得到,所述第二生带是在其中一条第一生带的表面的中部区域印刷所述公共电极后得到;

  其中,所述第四生带的形成包括如下步骤:

  A、在其中一条第三生带的表面的中部区域印刷所述参考电极和所述感压电极;

  B、在步骤A形成的生带的有所述参考电极和所述感压电极的表面上,除了所述通道孔和所述中部区域外的位置印刷第二陶瓷浆料;

  C、在步骤B形成的生带上的所述中部区域上印刷在中低温下可分解的浆料,得到所述第四生带,其中,所述步骤B和所述步骤C的印刷厚度相同;

  (2)将导电浆料填满至每条所述第三生带和所述第四生带中的各个通道孔中并烘干;

  (3)将所述第一生带、所述第二生带、所述第四生带和所述第三生带依次叠压形成坯体,其中,所述第二生带上设有所述公共电极的一面与所述第四生带上印刷有所述中低温下可分解的浆料的一面紧挨,所述第一生带和所述第二生带叠压后形成所述陶瓷弾性薄片,所述第三生带和所述第四生带叠压后形成所述陶瓷底座;

  (4)将步骤(3)形成的坯体进行等静压处理,然后进行切割形成传感器生坯;

  (5)将步骤(4)形成的传感器生坯进行排胶烧结,排胶烧结过程中,所述中低温下可分解的浆料首先全部分解以形成所述空腔,然后继续烧结后,导电浆料形成为填满所述通道孔的导电电极,且所述导电电极在所述陶瓷底座的底面具有引出端,所述陶瓷弾性薄片、所述陶瓷底座和所述导电通道成为一体结构。

  优选地,还包括形成感温电极的步骤:在任意一条所述第三生带上,或者在所述第四生带上,印刷感温电极,并在所述陶瓷底座上形成对应所述感温电极的导电通道。

  优选地,还包括步骤(6):对步骤(5)的各导电电极的引出端分别进行电镀,以形成焊接层。

  优选地,印刷形成所述感温电极的浆料为TCR>2000ppm/℃,方阻>20mΩ/□,烧结温度>1500℃的金属浆料,印刷厚度为5~20μm。

  优选地,所述通道孔的孔径为50~1000μm;所述公共电极、所述参考电极和所述感压电极的印刷厚度各自独立地为1~5μm;步骤B中,第二陶瓷浆料的印刷厚度为20~100μm;所述步骤C中所述在中低温下可分解的浆料的印刷厚度为20~100μm。

  优选地,所述第一陶瓷浆料包括如下质量分数的各组分:主粉体45%~60%、助烧剂0.5%~5%、流延用有机溶剂20%~35%、分散剂0.5%~2%和粘合剂5%~15%;所述第二陶瓷浆料包括如下质量分数的各组分:主粉体55%~75%、助烧剂0.5%~6%、印刷用有机溶剂8%~20%、表面活性剂1%~5%和粘合剂5%~15%;所述在中低温下可分解的浆料包括如下质量分数的各组分:碳粉60%~80%、有机溶剂8%~20%、粘结剂5%~15%和表面活性剂1%~5%。

  本发明与现有技术对比的有益效果包括:本发明的陶瓷传感器将陶瓷弾性薄片、陶瓷底座和导电通道形成为一体结构,保证了瓷弾性薄片和陶瓷底座的密封连接,也保证了导电通道与各电极之间的密封良好连接,后续进一步可以通过在导电通道中的导电电极的引出端电镀焊接层,以后续与外置电路进行有效焊接,由于导电通道是在形成陶瓷传感器的过程中就形成,且与各电极形成直接的接触连接,后续无需再通过插针进行连接,解决了现有陶瓷传感器因封接、插针不良导致的气密性差、可靠性不良的问题,极大地提高了陶瓷传感器的密封性和可靠性,提高了传感器的使用寿命。

  进一步地,将感温电极也集成在陶瓷传感器中,使得陶瓷传感器在不增加体积的基础上能同时用于压力和温度的检测。

  附图说明

  图1是本发明实施例中的陶瓷电容压力及温度传感器的截面示意图;

  图2是本发明实施例中的陶瓷电容压力及温度传感器的陶瓷底座的顶面的示意图;

  图3是本发明实施例中的陶瓷电容压力及温度传感器的陶瓷弾性薄片的底面的示意图;

  图4是本发明实施例中的陶瓷电容压力及温度传感器制备方法的步骤(7)的示意图;

  图5是本发明实施例中的陶瓷电容压力及温度传感器的阻值R与温度T的输出关系图;

  图6是本发明实施例中的陶瓷电容压力及温度传感器的压力与电容的输出关系图。

  具体实施方式

  下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

  需要说明的是,本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语,仅是互为相对概念,或是以产品的正常使用状态为参考的,而不应该认为是具有限制性的。

  本发明提供一种陶瓷传感器,其包括陶瓷弾性薄片、陶瓷底座和导电通道;所述陶瓷弾性薄片的底面的中部区域和所述陶瓷底座的顶面的中部区域之间形成有空腔,所述陶瓷弾性薄片的厚度小于所述陶瓷底座的厚度;所述空腔对应的所述陶瓷弾性薄片的底面上具有公共电极,所述空腔对应的所述陶瓷底座的顶面的中心区域上具有感压电极和参考电极,所述参考电极呈环形(具有开口的环形),与所述感压电极同心并环绕在所述感压电极的外面与所述感压电极间隔开;所述公共电极在所述空腔对应的所述陶瓷底座的顶面上的投影完全覆盖所述感压电极和所述参考电极两者;所述导电通道设置在所述陶瓷底座上,由通道孔和填满所述通道孔的导电电极组成,包括与所述公共电极连接的第一导电通道、与所述感压电极连接的第二导电通道以及与所述参考电极连接的第三导电通道,各导电电极贯穿出所述陶瓷底座的底部而具有引出端;所述陶瓷弾性薄片、所述陶瓷底座和所述导电通道经烧结后形成为一体结构。

  通过以上方案形成的陶瓷传感器用于检测压力,为陶瓷电容压力传感器,其中,公共电极和感压电极构成测量电容Cp,公共电极和参考电极构成参考电容Cr,当陶瓷弹性薄片受压变形时,公共电极也跟着变形,导致空腔的间隙变小,电容发生变化,通过将Cp和Cr的变化量分别转化为直流电压输出,通过两输出电压的差值信号来测量外加压力的大小,压力越大,电容变化越大。

  陶瓷电容压力传感器通常用于汽车及工业系统中,在这些恶劣工作环境下同时要求传感器要有高可靠性、高寿命的需求,而现有的陶瓷电容压力传感器大多采用玻璃浆作为陶瓷弾性薄片与陶瓷底座的之间的封接材料,以此形成空腔结构,此外在陶瓷底座上预留有通孔,通过往通孔中插针的方式来实现内部电极引出;以上现有方案会因不同材料的匹配性、插针不良而容易导致传感器陶瓷芯体封接良率过低的问题,进而后续应用中存在高低温冲击下开路等可靠性不良隐患,而本发明中,将陶瓷弾性薄片、陶瓷底座和导电通道形成为一体结构,且,形成的陶瓷弾性薄片和陶瓷底座为同一材料,不会存在不同材料的不匹配问题,同时陶瓷弾性薄片、陶瓷底座烧结后成一体也保证了瓷弾性薄片和陶瓷底座的密封连接,并且,导电通道也在烧结中和陶瓷弾性薄片、陶瓷底座烧成一体结构,保证了导电通道与陶瓷底座和陶瓷弹性薄片上各电极之间的密封良好连接(导电通道中的导电电极直接与各电极直接接触连接),由于导电通道是在形成陶瓷电容压力传感器的过程中就形成,且与各电极形成直接的接触连接,后续无需再通过插针进行连接,解决了现有陶瓷电容压力传感器因封接、插针不良导致的气密性差、可靠性不良的问题,极大地提高了陶瓷电容压力传感器的密封性和可靠性,提高了传感器的使用寿命。

  在一些优选的实施方式中,还包括感温电极,所述感温电极形成在所述陶瓷底座内,所述导电通道还包括与所述感温电极连接的第四导电通道和第五导电通道。更为优选的方式是感温电极也形成在陶瓷底座的顶面上,与参考电极和感压电极在同一表面,但不在空腔内,感温电极为具有开口的环形,围绕在参考电极的外围,在环形的两端分别设置第四导电通道和第五导电通道。

  陶瓷电容压力传感器广泛应用于水、气、液及多种介质的压力检测中,对应的应用环境中经常需要同时测试压力及温度值,且传感器标定时也需要同时考虑温度与压力的协同效应,以此提高传感器的输出精度,而现有的解决方案中都是分别选择对应的温度传感器及压力传感器进行测试和标定,或在陶瓷电容压力传感器芯体的外侧附加温度传感器,再统一进行铆接合成一体,造成了传感器体积臃肿,成本上升,或输出精度不足等固有缺陷。本申请优选方案中,将感温电极也集成在陶瓷传感器中,使得陶瓷传感器在不增加体积的基础上能同时用于测压力和温度,该陶瓷传感器可称为陶瓷电容压力及温度传感器。

  增加了测温功能后,可以进一步优化传感器的精度,由于不同温度下(没有压力),传感器的电容值是有点差异的,假如没有温度传感器,电容差会误认为是压力变化,由此导致传感器的测试精度较差的问题,而将温度和压力传感器集成在一起,通过温度的变化,电容值差异的变化情况,后端电路芯片通过标定记录温差与电容差的关系,可以以此来提高传感器的精度。

  在一些优选的实施方式中,各导电电极的引出端进行电镀处理后分别形成有一焊接层,通过形成的焊接层,可以后续与外置电路进行有效焊接,较优的是,在引出端上先镀一层镍层,再在镍层的表面镀一层锡层以包裹镍层,优选的镍层厚度为2~5μm,锡层厚度为3~10μm。

  在一些优选的实施方式中,所述感压电极和所述参考电极的间隔为0.1mm~0.8mm。

  本发明还提供一种上述的陶瓷传感器的制备方法,包括如下步骤:

  (1)制备若干条第一生带、一条第二生带、若干条第三生带和一条第四生带,且在每条第三生带上开孔以形成所述导电通道的通道孔;

  其中,所述若干条第一生带和所述若干条第三生带均由第一陶瓷浆料进行流延和烘干得到,所述第二生带是在其中一条第一生带的表面的中部区域印刷所述公共电极后得到;

  其中,所述第四生带的形成包括如下步骤:

  A、在其中一条第三生带的表面的中部区域印刷所述参考电极和所述感压电极;

  B、在步骤A形成的生带的有所述参考电极和所述感压电极的表面上,除了所述通道孔和所述中部区域外的位置印刷第二陶瓷浆料;

  C、在步骤B形成的生带上的所述中部区域上印刷在中低温下可分解的浆料,得到所述第四生带,其中,所述步骤B和所述步骤C的印刷厚度相同;

  (2)将导电浆料填充并填满至所述第三生带和所述第四生带中的各个通道孔中并烘干;

  (3)将所述第一生带、所述第二生带、所述第四生带和所述第三生带依次叠压形成坯体,其中,所述第二生带上设有所述公共电极的一面与所述第四生带上印刷有所述中低温下可分解的浆料的一面紧挨,所述第一生带和所述第二生带叠压后形成所述陶瓷弾性薄片,所述第三生带和所述第四生带叠压后形成所述陶瓷底座;优选的叠层压力为20~40t,压合温度为:30~70℃。

  (4)将步骤(3)形成的坯体进行等静压处理,然后进行切割形成传感器生坯;优选地,静压处理是在水温60~70℃,10~100MPa的压力下进行。

  (5)将步骤(4)形成的传感器生坯进行排胶烧结,排胶烧结过程中,所述中低温下可分解的浆料首先全部分解以形成所述空腔,然后继续烧结后,导电浆料形成为填满所述通道孔的导电电极,且所述导电电极在所述陶瓷底座的底面具有引出端,所述陶瓷弾性薄片、所述陶瓷底座和所述导电通道成为一体结构。优选地,烧结温度为:1350~1600℃,在空气或还原气氛中进行。

  在一些优选的实施方式中,制备方法还包括形成感温电极的步骤:在任意一条所述第三生带上,或者在所述第四生带上,印刷感温电极,并在所述陶瓷底座上形成对应所述感温电极的导电通道。更为优选的方式是感温电极形成在第四生带上与参考电极和感压电极在同一表面,但不在空腔内,也即,在步骤A中在其中一条第三生带的表面的中部区域印刷参考电极和感压电极时,还印刷感温电极,而步骤B中在印刷第二陶瓷浆料时,第二陶瓷浆料可以覆盖感温电极,也可以不覆盖感温电极。

  在一些优选的实施方式中,还包括步骤(6):对步骤(5)的各导电电极的引出端分别进行电镀,以分别形成焊接层。优选地,在引出端上先镀一层镍层,再在镍层的表面镀一层锡层以包裹镍层,优选的镍层厚度为2~5μm,锡层厚度为3~10μm。

  在一些优选的实施方式中,所述通道孔的孔径为50~1000μm;所述公共电极、所述参考电极和所述感压电极的印刷厚度各自独立地为1~5μm。

  在一些优选的实施方式中,印刷形成所述感温电极的浆料为TCR>2000ppm/℃,方阻>20mΩ/□,烧结温度>1500℃的金属浆料,印刷厚度为5~20μm。

  在一些优选的实施方式中,印刷公共电极、参考电极和感压电极的浆料各自独立地为Pt、Ag-Pt、Pd、Ag-Pd、W、Ni合金等可耐高温烧结的金属粉制成。更为优选的是,三者选择相同的材料和相同的厚度。

  在一些优选的实施方式中,步骤B中,第二陶瓷浆料的印刷厚度为20~100μm;所述步骤C中所述在中低温下可分解的浆料的印刷厚度为20~100μm,最终烧结后形成的空腔的深度为10-80μm。

  在一些优选的实施方式中,所述第一陶瓷浆料包括如下质量分数的各组分:主粉体45%~60%、助烧剂0.5%~5%、流延用有机溶剂20%~35%、分散剂0.5%~2%和粘合剂5%~15%;其中,第一陶瓷浆料中的主粉体为Al2O3粉体、ZrO2粉体或两种粉体混合物中的一种,助烧剂为ZnO、CaO、MgO、SiO2中的至少一者,流延用有机溶剂为甲苯、醋酸丙酯、异丁醇和乙醇中的至少一者,分散剂的牌号为BYK-110,粘合剂为丙烯酸树脂、丁醛树脂等;将第一陶瓷浆料的各组分按比例进行混合,加入氧化锆球作为介质并持续球磨15h-30h后形成流延浆料。

  在一些优选的实施方式中,所述第二陶瓷浆料包括如下质量分数的各组分:主粉体55%~75%、助烧剂0.5%~6%、印刷有机溶剂8%~20%、表面活性剂1%~5%和粘合剂5%~15%;其中,第二陶瓷浆料中的主粉体为Al2O3粉体、ZrO2粉体或两种粉体混合物中的一种,助烧剂为ZnO、CaO、MgO、SiO2中的至少一者,印刷用有机溶剂为松油醇、丁基卡必醇和丁基卡必醇醋酸酯中的至少一者,表面活性剂为卵磷脂和双(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺(商品名KH170)中的至少一者,粘结剂为乙基纤维素、丙烯酸树脂和丁醛树脂中的至少一者;将第二陶瓷浆料的各组分按比例进行混合,加入氧化锆球作为介质并持续球磨15h-30h后形成印刷浆料。更佳的是,第一陶瓷浆料的主粉体和第二陶瓷浆料中的主粉体选择同一种材料。

  在一些优选的实施方式中,所述在中低温下可分解的浆料包括如下质量分数的各组分:碳粉60%~80%、有机溶剂8%~20%、粘结剂5%~15%和表面活性剂1%~5%;其中,有机溶剂为松油醇、丁基卡必醇和丁基卡必醇醋酸酯中的至少一者,粘结剂为乙基纤维素、丙烯酸树脂和丁醛树脂中的至少一者,表面活性剂为卵磷脂和双(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺(商品名KH170)中的至少一者;将在中低温下可分解的浆料的各组分按比例进行混合,加入氧化锆球作为介质并持续球磨15h-30h后形成印刷浆料。

  以下通过更具体的实施例对本发明做详细阐述。

  如图1-3所示,该例为陶瓷电容压力及温度传感器,其包括陶瓷弾性薄片1、陶瓷底座2、导电通道和焊接层11,陶瓷弾性薄片1的底面的中部区域和陶瓷底座2的顶面的中部区域之间形成有空腔12,陶瓷弾性薄片1的厚度小于陶瓷底座2的厚度;空腔12对应的陶瓷弾性薄片的底面上具有公共电极3,空腔12对应的陶瓷底座2的顶面的中心区域上具有感压电极5和参考电极4,参考电极4呈具有开口的环形,与感压电极5同心并环绕在感压电极5的外面与感压电极间隔开(本例中,间隔为0.6mm);公共电极3在空腔对应的陶瓷底座的顶面上的投影完全覆盖感压电极5和参考电极4两者;陶瓷底座2的顶面的空腔外围还有感温电极6,感温电极6也为具有开口的环形,围绕在感压电极5的外围,导电通道设置在陶瓷底座2上,由通道孔13、14、15、16和17和填满通道孔13、14、15、16和17的导电电极组成,导电通道包括与公共电极3连接的第一导电通道10、与感压电极5连接的第二导电通道8、与参考电极4连接的第三导电通道9,与感温电极连接的第四导电通道7-1和第五导电通道7-2,各导电电极贯穿出陶瓷底座的底部而具有引出端,各引出端进行电镀处理后分别形成一焊接层11,陶瓷弾性薄片1、陶瓷底座2和各导电通道经烧结后形成为一体结构。

  该陶瓷电容压力及温度传感器的制备方法步骤如下:

  (1)制备第一陶瓷浆料(为流延用浆料):第一陶瓷浆料包括如下质量分数的各组分:主粉体(Al2O3粉体)50%、助烧剂(ZnO)5%、有机溶剂(乙醇)28%、分散剂(牌号为BYK-110)2%和粘合剂(丙烯酸树脂)15%,将各组分按比例进行混合,加入氧化锆球作为介质并持续球磨30h后形成流延浆料。

  (2)制备第二陶瓷浆料(为印刷用浆料):第二陶瓷浆料包括如下质量分数的各组分:主粉体(Al2O3粉体)75%、助烧剂(ZnO)5%、有机溶剂(松油醇)8%、表面活性剂(KH170)2%和粘合剂(乙基纤维素)10%;将各组分按比例进行混合,加入氧化锆球作为介质并持续球磨30h后形成印刷浆料。

  (3)制备在中低温下可分解的浆料(为印刷用浆料):在中低温下可分解的浆料中的“中低温”是指200~1000℃,其包括如下质量分数的各组分:碳粉75%、有机溶剂(松油醇)12%、粘结剂(乙基纤维素)10%和表面活性剂(KH170)3%;将各组分按比例进行混合,加入氧化锆球作为介质并持续球磨30h后形成印刷浆料。

  (3)流延:将步骤(1)配置好的第一陶瓷浆料进行流延和烘干,烘干后的流延厚度为50μm,多次制作得到若干条生带,其中一些生带作为第一生带用于后续制作陶瓷弹性薄片,另一些生带作为第三生带用于后续制作陶瓷底座。

  (4)开孔:采用机械或激光开孔的方式,对上述每一条第三生带,在电极引出位置对生带进行开孔形成通道孔13、14、15、16和17,优选的开孔直径为:50~1000μm,本例中开孔直径为500μm。

  (5)印刷:在其中一条第一生带的表面的中部区域印刷公共电极3,得到第二生带,其中印刷公共电极3的浆料为Pt浆,印刷厚度为4μm。

  (6)印刷:在其中一条第三生带的表面的中部区域印刷参考电极4和感压电极5,参考电极4呈具有开口的环形,与感压电极5同心并环绕在感压电极5的外面与感压电极间隔开,间隔距离为0.6mm;并在感压电极5的外围继续印刷感温电极6,其中,印刷参考电极4和感压电极5的浆料均为Pt浆,印刷厚度均为4μm,在其他示例中,公共电极3、参考电极4和感压电极5的材料也可以不同,优选相同;印刷感温电极6的浆料为电阻温度系数(TCR)>2000ppm/℃,方阻(浆料的电阻率)>20mΩ/□,烧结温度>1500℃的金属浆料(本例中选择Ag-Pd浆),印刷厚度为15μm,随着传感器外围温度的变化,感温电极的阻值也随之发生线性的变化。(在其他示例中,感温电极6也可以单独印刷在另外的第三生带上,与参考电极4和感压电极5不在同一层)。

  (7)印刷:在步骤(6)得到的生带上,采用步骤(2)配置的第二陶瓷浆料,按照图4所示的位置区域18(用点填充的区域)进行印刷(即将第二陶瓷浆料印刷在有参考电极、感压电极和感温电极的表面上,且除了通道孔、中部区域(即图4中除通道孔位置外的中心空白区域,该中部区域设有参考电极和感压电极的区域,该中部区域后续用于形成空腔)外的位置),也即,印刷时,避开后续需形成空腔的中部区域和通道孔,印刷厚度为25μm。

  (8)印刷:采用步骤(3)的在中低温下可分解的浆料,在步骤(7)形成的生带上继续印刷,印刷区域为步骤(7)中的第二陶瓷浆料未覆盖的中部区域,印刷厚度与步骤(7)保持一致,为25μm,步骤(6)~(8)的处理后得到第四生带;

  (9)印刷:对具有通道孔的第三生带和第四生带,将导电浆料印入至对应的通道孔中并填满通道孔,然后烘干,其中,在通道孔13和14中填充的导电浆料烧结后形成第四导电通道7-1和第五导电通道7-2后,对应连接感温电极6的两端,在通道孔15中填充的导电浆料烧结成第二导电通道8后,对应连接感压电极5,在通道孔16中填充的导电浆料烧结成第三导电通道9后,对应连接参考电极4,在通道孔17中填充的导电浆料烧结成导电通道10后,对应连接公共电极3;导电浆料优选但不限于以Pt、Ag-Pt、Pd、Ag-Pd、W、Ni合金等可耐高温烧结的金属粉制成的导电银浆,本例中导电银浆为Pt浆。

  (10)叠层:按照结构设计顺序,依序将以上得到的第一生带、第二生带、第四生带和第三生带叠层压成坯体,叠层压力为35t,压合温度为:60℃。其中,第二生带上设有公共电极的一面与第四生带上印刷有中低温下可分解的浆料的一面面对面地紧挨贴合在一起,第一生带和第二生带叠压后用于形成陶瓷弾性薄片,第三生带和第四生带叠压后用于形成陶瓷底座。

  (11)温水压:将步骤(10)的坯体上下面均使用平整的钢板夹住,并置于密封袋上做抽真空处理,并在水温70℃,60MPa的压力下进行等静压处理。

  (12)切割:按照产品尺寸设计,对经步骤(11)处理后的坯体进行切割,形成独立的传感器生坯,其中,陶瓷弾性薄片和陶瓷底座可为方形、圆形或椭圆形中的一种。

  (13)排胶烧结:将步骤(12)得到的生坯进行排胶,排胶后,在空气或还原气氛中进行烧结,烧结温度为1450℃。通过烧结后,陶瓷弾性薄片、陶瓷底座和导电通道形成为一体结构,参考电极、感压电极、公共电极以及感温电极与相应的导电通道中的导电电极形成良好的直接接触,后续使用过程中无需再进行插针引出电极。

  (14)电镀:将步骤(13)烧结后的陶瓷体与电镀小球等介质进行装篮,在各导电电极的引出端先电镀镍,再在镍的表面电镀锡包裹住镍,镍层厚度为3μm,锡层厚度为6μm,形成焊接层11,以用于后续与外置电路的有效焊接。

  最终形成的陶瓷电容压力及温度传感器中,陶瓷弾性薄片在0.3mm~1.2mm之间,陶瓷底座的厚度大于陶瓷弾性薄片的厚度,约4~5mm,本例中制备得到的陶瓷电容压力及温度传感器中,陶瓷弾性薄片的厚度是0.5mm,陶瓷底座的厚度为3mm。

  如图5-6所示,图5是本例中陶瓷电容压力及温度传感器的阻值R与温度T的输出关系图,其中实线表示实测值,虚线表示拟合的线性曲线,该图表明温度和输出的阻值成线性关系,可以通过输出的阻值判定对应的温度;图6是本例中陶瓷电容压力及温度传感器的压力与电容的输出关系图,可以看出,随着压力的变化,电容也随着线性变化。

  下表为现有工艺制成的陶瓷电容压力传感器(通过玻璃浆作为陶瓷弾性薄片与陶瓷底座的之间的封接材料以及通过插针的方式来实现内部电极的引出)(表中显示为比较例)和用本申请的方法来制成的陶瓷电容压力及温度传感器(表中显示为实施例)的密封性测试结果,从中可以看出,本申请的陶瓷电容压力及温度传感器的密封性能得到了很大的提高,为后续传感器的可靠性建立了很好的基础。

  

  本发明的制备方法通过采用流延法得到生带、采用机械或激光方式在生带上开孔、采用丝网印刷工艺形成各个电极和空腔、叠压、烧结及电镀等工艺,可同时在陶瓷芯体内部集成温度与压力测试功能,也可有效地解决现有陶瓷传感器气密性良率过低,可靠性较差等问题。

  以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当视为属于本发明的保护范围。

《一种陶瓷传感器及其制备方法.doc》
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