陶瓷電容壓力傳感器的特點及應(yīng)用淺析

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。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。

常用壓力傳感器技術(shù)類型

壓力傳感器一般用于對傳感器敏感器件所處氣體或液體氛圍的壓力測量，一般用于反饋給系統(tǒng)主控單元，實現(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)體工藝實現(xiàn)，具有尺寸小，產(chǎn)量高、成本低、信號輸出靈敏度高等優(yōu)勢。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)，實現(xiàn)將介質(zhì)的壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。陶瓷電阻技術(shù)具有成本適中，工藝簡單等優(yōu)勢，目前國內(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)待測介質(zhì)壓力過載時，陶瓷電阻傳感器會存在膜片破裂，介質(zhì)泄露的風(fēng)險。

玻璃微熔技術(shù)采用高溫?zé)Y(jié)工藝，將硅應(yīng)變計與不銹鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合。硅應(yīng)變計等效的四個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，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。玻璃微熔工藝實現(xiàn)難度較大，成本高。主要優(yōu)勢是介質(zhì)耐受性好，抗過載能力強，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陶瓷膜片結(jié)構(gòu)，可動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，從而形成一個可變電容，當(dāng)膜片上所承受的介質(zhì)壓力變化時兩者之間的電容量隨之發(fā)生變化，通過調(diào)理芯片將該信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)理后輸出給后級使用。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、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。國際上來看廣泛應(yīng)用于汽車與工業(yè)過程控制等領(lǐng)域，分別以美國森薩塔和瑞士E+H為代表。由于電容信號不同于電阻信號，對信號處理電路要求較高，傳感器設(shè)計時需要將電容和信號調(diào)理芯片ASIC協(xié)同考慮，國內(nèi)目前僅蘇州納芯微電子股份有限公司能夠同時提供兩者整合的完整解決方案。

陶瓷電容壓力傳感器的產(chǎn)品設(shè)計

陶瓷電容壓力傳感器芯體測壓原理

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，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

典型陶瓷電容壓力傳感器密封結(jié)構(gòu)

為保證氣密性，在陶瓷電容壓力傳感器的產(chǎn)品設(shè)計種，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。因為O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。

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，應(yīng)與O型圈廠家進(jìn)行咨詢確認(rèn)后，選擇合適的O型圈材料及牌號進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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。

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

臺階二與O型圈槽底構(gòu)成O型圈槽，對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的典型應(yīng)用

陶瓷電容壓力傳感器因其耐腐蝕、抗沖擊、無遲滯、介質(zhì)兼容性強等優(yōu)勢可以廣泛應(yīng)用在水、氣、液多種介質(zhì)的壓力檢測，尤其適合于汽車系統(tǒng)的惡劣環(huán)境下工作。針對物聯(lián)網(wǎng)及家電等壓力傳感器的新興應(yīng)用市場，陶瓷電容抗沖擊優(yōu)勢可以應(yīng)用于供水管網(wǎng)的水壓測量，完美應(yīng)對水錘效應(yīng)；針對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