陶瓷电容压力传感器的特点及典型应用

2018-10-17 21:29:32

常用压力传感器技术类型

压力传感器一般用于对传感器敏感器件所处气体或液体氛围的压力测量，一般用于反馈给系统主控单元，实现系统精确控制。压力传感器作为传感器中的一大门类，在汽车、工业、家电、消费电子等不同行业均有广泛的应用。常用压力传感器从感测原理来区分，主要包括如下几大类：

- 硅压阻技术

- 陶瓷电阻技术

- 玻璃微熔技术

- 陶瓷电容技术

硅压阻技术由半导体的压阻特性来实现，半导体材料的压阻特性取决于材料种类、掺杂浓度和晶体的晶向等因素。该技术可以采用半导体工艺实现，具有尺寸小，产量高、成本低、信号输出灵敏度高等优势。不足之处主要体现在介质耐受程度低，温度特性差和长期稳定性较差等方面。常见于中低压量程范围，如5kPa~700kPa。业界也有通过特殊封装工艺提高硅压阻技术的介质耐受程度的方案，如充油、背压等技术，但也会带来成本大幅增加等问题。

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。陶瓷电阻技术具有成本适中，工艺简单等优势，目前国内有较多厂家提供陶瓷电阻压力传感器芯体。但该技术信号输出灵敏度低，量程一般限定在500kPa~10MPa，且常规中空结构，仅靠膜片承压，抗过载能力差，当待测介质压力过载时，陶瓷电阻传感器会存在膜片破裂，介质泄露的风险。

玻璃微熔技术采用高温烧结工艺，将硅应变计与不锈钢结构结合。硅应变计等效的四个电阻组成惠斯通电桥，当不锈钢膜片的另一侧有介质压力时，不锈钢膜片产生微小形变引起电桥变化，形成正比于压力变化的电压信号。玻璃微熔工艺实现难度较大，成本高。主要优势是介质耐受性好，抗过载能力强，一般适用于高压和超高压量程，如10MPa~200MPa，应用较为受限。

陶瓷电容技术采用固定式陶瓷基座和可动陶瓷膜片结构，可动膜片通过玻璃浆料等方式与基座密封固定在一起。两者之间内侧印刷电极图形，从而形成一个可变电容，当膜片上所承受的介质压力变化时两者之间的电容量随之发生变化，通过调理芯片将该信号进行转换调理后输出给后级使用。陶瓷电容技术具有成本适中，量程范围宽，温度特性好、一致性、长期稳定性好等优势。国际上来看广泛应用于汽车与工业过程控制等领域，分别以美国森萨塔和瑞士E+H为代表。由于电容信号不同于电阻信号，对信号处理电路要求较高，传感器设计时需要将电容和信号调理芯片ASIC协同考虑，国内目前仅苏州纳芯微电子股份有限公司能够同时提供两者整合的完整解决方案。

陶瓷电容压力传感器的产品设计

陶瓷电容压力传感器芯体测压原理

典型陶瓷电容压力传感器芯体为密封表压结构，由陶瓷基座和可变形膜片及中空密封腔体三部分组成，承压面为可变形膜片，当芯体承压发生变化时，变形膜承压后发生弯曲，导致基板间距发生变化，引起极板间电容的变化，电容变化通过调理芯片转换为标准输出（如0~5V电压输出、4~20mA电流输出、I2C、SPI数字输出等）。

图1：陶瓷电容压力传感器承压前截面图

图2：陶瓷电容压力传感器承压后截面图

典型陶瓷电容压力传感器密封结构

为保证气密性，在陶瓷电容压力传感器的产品设计种，选用O型圈或者垫片作为密封的关键部件，其中O型圈更为常见。因为O型圈具备优良的线性密封特性，承压范围宽于垫片（垫片一般推荐用于2MPa以内的密封）等优点。

O型圈的尺寸、材质、硬度等参数选择将直接影响最终压力传感器的产品性能，需要结合总成尺寸、待测介质类型、工作温度范围等因素综合考虑后选型。

压力传感器中常见的O型圈材料有三元乙丙橡胶（EPDM），氢化丁腈橡胶（HNBR），硅橡胶（QM），氯丁橡胶（CR）、氟橡胶（FKM）、氟硅橡胶（MFQ）等。

图3：典型O型圈材料的使用温度范围（source：Parker）