陶瓷電容式力敏元件的可靠性設(shè)計(jì)與工藝*

湯建華, 花銀群, 楊繼昌

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,江蘇 常州 213100)

0 引 言

電阻應(yīng)變式傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)稱(chēng)重測(cè)力場(chǎng)合。不過(guò)在一些特殊或極端惡劣環(huán)境下,電阻應(yīng)變式傳感器仍然存在許多不足。尤其在一些冶金、發(fā)動(dòng)機(jī)和航空等環(huán)境中,精確的稱(chēng)重測(cè)力需求仍然十分迫切[1～3]。在其他一些可選的測(cè)力技術(shù)中,如基于硅半導(dǎo)體的壓力傳感器可以工作在高溫環(huán)境下,但是由于硅材料本身的限制,超過(guò)300 ℃硅材料會(huì)有本征激發(fā)的現(xiàn)象出現(xiàn)[4]。而陶瓷在低高溫、腐蝕和輻射等環(huán)境中都具有穩(wěn)定的機(jī)械性能,因此近年來(lái)基于陶瓷的各種力傳感器的研究發(fā)展十分迅速。針對(duì)電容式測(cè)力傳感器,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了不少研究。高曉丁等研究開(kāi)發(fā)了一種新型電容式力傳感器用于鐵路岔道轉(zhuǎn)換設(shè)備的控制[5]。孫玉超等人針對(duì)S型電容稱(chēng)重傳感器參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題,運(yùn)用有限元軟件對(duì)彈性體結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化仿真與優(yōu)化[6]。為了適應(yīng)集成化與大批量生產(chǎn)的需要,陶瓷電容式傳感器中的力敏元件很多采用絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)密封等厚膜生產(chǎn)工藝。唐力強(qiáng)、常慧敏等人對(duì)基于厚膜工藝的電容式壓力敏感元件進(jìn)行了持續(xù)的研究[7,8]。不過(guò),相對(duì)于電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器,國(guó)內(nèi)電容式力傳感器的制作廠家較少,因而技術(shù)改進(jìn)相對(duì)緩慢,其可靠性與制造工藝還有許多需要改進(jìn)和提高的地方。本文主要總結(jié)介紹了陶瓷電容式壓力傳感器內(nèi)一種力敏元件產(chǎn)品化過(guò)程中,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇以及厚膜制作工藝方面的相關(guān)要求。

1 電容式力敏元件設(shè)計(jì)與工藝

1.1 電容式力敏元件的原理與設(shè)計(jì)要求

電容式傳感器的本質(zhì)是一個(gè)可變參數(shù)的電容器。通常情況下,電容器由2個(gè)平行板組成,其電容量為C=εA/d,其中,ε、A、d分別是電極板間的介電常數(shù)、有效面積和極板間距。只要在測(cè)量過(guò)程中保持其中兩個(gè)參數(shù)不變,另一個(gè)參數(shù)隨所感應(yīng)的物理量變化而變化,從而改變電容值[9]。

對(duì)于本文介紹的電容式測(cè)力傳感器,一般是保持A和不變,而極距d隨載荷P的變化而變化,從而使電容C發(fā)生相應(yīng)的變化。如圖1所示是該力敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的基座和膜片為陶瓷蓋板組成,半徑為R。陶瓷蓋板內(nèi)側(cè)印有參考電極、固定電極和可動(dòng)電極,分別組成參考電容和測(cè)量電容。設(shè)置的參考電容一方面可以改變電場(chǎng)分布修正測(cè)量電容的非線性,另一方面可以減小因溫度變化引起的測(cè)量誤差,起到溫度自補(bǔ)償作用[7]。電極之間是玻璃燒結(jié)密封的空氣介質(zhì)層。當(dāng)外界作用力P作用于圖中上部彈性膜片時(shí),固定電極與可動(dòng)電極之間的距離d發(fā)生改變,從而引起電容變化。

圖1 電容式力敏元件的結(jié)構(gòu)示意

在極坐標(biāo)系下(以圓形膜片的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)),上述結(jié)構(gòu)中電容的積分表達(dá)式為

(1)

式中ε0為真空介電常數(shù)；ε為空氣的相對(duì)介電常數(shù)；rd為固定電極的半徑,mm；d為初始間隙,mm；Δd為半徑為r的圓上的變形,mm。設(shè)P為均布載荷,N。根據(jù)小撓度變形理論,則Δd滿足下式

(2)

式中E為陶瓷膜片的楊氏模量,MPa；v為泊松比。

此時(shí)在均布載荷P作用下,膜片邊緣處的應(yīng)力最大為σ,應(yīng)滿足下式

(3)

式中σb為陶瓷膜片的最大抗彎強(qiáng)度,MPa；s為安全系數(shù)。在滿足膜片強(qiáng)度(式(3))的條件下,通過(guò)選擇適當(dāng)膜片的尺寸、厚度和電極的間距等參數(shù),可以提高傳感器的靈敏度和線性范圍。

1.2 關(guān)鍵材料的選擇

電容式力敏元件涉及一些特殊材料及供應(yīng)問(wèn)題,如特殊的恒彈性陶瓷材料、玻璃漿料和導(dǎo)電膠等。這些材料雖然用量不多,但必須要有可靠的供應(yīng)商以保證原材料材質(zhì)的一致性。在選擇材料和供應(yīng)商時(shí)需要考慮如下幾點(diǎn):

基底和膜片通常采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)96 %的Al2O3陶瓷。96 %Al2O3陶瓷對(duì)外力具有完美的彈性響應(yīng),是電容式測(cè)力傳感器中最常見(jiàn)的材料。由于96 %的Al2O3陶瓷中含有4 %質(zhì)量分?jǐn)?shù)的非晶態(tài)硅酸鹽(文中采用的陶瓷材料是包含鈣、鎂、硅等元素的玻璃相),因此,雖然氧化鋁具有很好的耐腐蝕性能,但是陶瓷中的玻璃相在特定條件下則更容易被腐蝕。對(duì)于測(cè)力的應(yīng)用來(lái)說(shuō),需要特別注意96 %Al2O3陶瓷受應(yīng)力腐蝕的影響。這是由于隨著時(shí)間的推移,其陶瓷的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)榈头肿恿康臉O性液體作用(如水)而逐漸降低[10]。本文所采用的96 %Al2O3陶瓷的抗彎強(qiáng)度大約是380 MPa,彈性模量為300 GPa。考慮到?jīng)Q定應(yīng)力腐蝕是否發(fā)生的因素就是陶瓷所處環(huán)境的應(yīng)力水平,以及材料的抗彎強(qiáng)度也依賴(lài)于材料表面條件、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中等因素。因此,本文中研制的力敏元件一般取式(3)中的安全系數(shù)s為3。

電極材料選擇除了需要考慮優(yōu)異的導(dǎo)電性能,還需要考慮厚膜工藝的適用性,應(yīng)盡量選擇可進(jìn)行高分辨率打印的材料。本文中的力敏元件定制了一種含金元素的印刷漿料,適用于270目以上的印刷工藝,從而同時(shí)滿足了電性能和絲網(wǎng)印刷工藝的要求。

密封粘接材料的選擇是保證力敏元件可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵。本文所采用的密封粘接材料是一種硼硅玻璃漿料,其燒結(jié)后物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)與96 %Al2O3陶瓷基本一致。通過(guò)絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝將膜片和基座粘接并密封,從而保證內(nèi)部密封空氣的介電常數(shù)保持穩(wěn)定。

1.3 電容式力敏元件的制作工藝要求

對(duì)于高精度電容式傳感器的制作而言,首先需要潔凈的生產(chǎn)場(chǎng)地。一般情況下,普通裝配車(chē)間需要1 K級(jí)以上的潔凈度,而敏感元件等核心零部件的生產(chǎn)則需要達(dá)到10 K級(jí)以上的潔凈度,以避免雜質(zhì)混入導(dǎo)致電容極板的短路。本文介紹的力敏元件的主要制作步驟如圖2所示。

圖2 電容式力敏元件的制作工藝流程

主要工藝步驟的具體說(shuō)明如下:

1)清洗工藝:接收到原材料后,首先使用去離子水進(jìn)行超聲波清洗,去除油污和雜質(zhì),可以大大提高最終產(chǎn)品的合格率。

2)絲網(wǎng)印刷工藝:網(wǎng)板目數(shù)是決定電極漿料和密封玻璃漿料沉積厚度的重要參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較,本文在絲印電極時(shí),采用300目網(wǎng)板,而在絲印密封漿料時(shí),采用105目的網(wǎng)板。

3)拋光工藝:在完成電極的絲印和燒結(jié)后,還需要進(jìn)行拋光。這主要是因?yàn)榱γ粼碾娙輼O板之間的距離只有幾十微米,如果絲印工藝表面的平整度較差時(shí),力敏元件在工作時(shí)會(huì)由短路的風(fēng)險(xiǎn)。

4)燒結(jié)工藝:電極的峰值燒結(jié)溫度為850 ℃,時(shí)間為1.5 h。燒結(jié)后的含金電極表面雖然有一些微觀裂紋(如圖3所示),但是對(duì)力敏元件的性能已經(jīng)沒(méi)有顯著影響。密封玻璃的峰值燒結(jié)溫度為550 ℃,時(shí)間為3.5 h。

5)在將膜片和基座粘貼密封時(shí),需通過(guò)工裝夾具輔助定位,一方面確保同軸度,另一方面控制陶瓷板之間的間隙。

圖3 電極燒結(jié)后表面的微觀形貌

2 電容式力敏元件的試制結(jié)果

實(shí)踐表明:通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用Φ21 mm外徑陶瓷膜片保證了其在受力時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力小于發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)的極限應(yīng)力值,降低了后期產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)定制的關(guān)鍵材料,如含金元素的印刷漿料和硅硼玻璃漿料,并優(yōu)化厚膜工藝技術(shù),減少了電容短路和開(kāi)路的失效。最終設(shè)計(jì)制作的力敏元件量程范圍在0.2～3 MPa之間,非線性誤差小于1.0 %FS,滯后誤差小于0.5 %FS。投料1000個(gè),最終成品合格率從60 %提高到95 %以上,且工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,非常適合大批量生產(chǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用厚膜技術(shù)設(shè)計(jì)研制了厚膜電容式壓力敏感元件,然后通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐,采取降低敏感元件的工作應(yīng)力,并使用新型印刷漿料與工藝,提高了電容式壓力敏感元件的穩(wěn)定性和可靠性。特別是在彈性體結(jié)構(gòu)、材料、印刷、燒結(jié)等制造工藝流程方面提高了認(rèn)識(shí),為進(jìn)一步研制更多厚膜電容式測(cè)力傳感器創(chuàng)造了基礎(chǔ)和條件。