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一种陶瓷电容式压力传感器的设计和实验研究
张宾 梅涛 马以武 唐力强
摘要:陶瓷电容式压力传感器具有抗腐蚀、耐高温、高精度、高稳定性、无污染和抗过载等优点,在工业
中将有广泛用途.但是,其芯片目前国内尚无厂家可以生产.应客户要求,我们对陶瓷电容式压力传感器
进行了设计、建模、制作和实验,并使之满足批量生产的需要.
关键词:陶瓷;电容;压力;传感器
中图分类号: TP212.12 文献标识码:A
一、引言
硅压力传感器具有精度高、稳定性好等优点,在工业中广泛应用.但是,由于硅材料本身的限制,
使其无法用于高温和腐蚀等特殊环境中.而陶瓷电容式压力传感器采用特殊陶瓷材料制作,具有抗腐蚀、
耐高温等优点,弥补了硅压力传感器的上述缺点,可用于高温、腐蚀等特殊环境下.现今,国内有大量的
需求,但是还没有国内厂家能够生产.因此,开发一种实用的陶瓷压力传感器具有非常重要的现实意义.
陶瓷电容式压力传感器通常采用多电容结构,在陶瓷膜片上同时烧结两个电容,一个作为参考电容,
以消除温度对传感器输出的影响;另一个为测量电容,其变化量与传感器所受压力的变化量近似成正比,
通过检测变化量就能得到传感器所受的压力.
本文提出了一种合理可靠的传感器设计方案,使设计出的传感器具有过载负荷大、温度和时间稳定
性好等优点.该传感器的制作采用丝网印刷技术,适合工业大批量生产的需要.
二、设计
本传感器电容的可动电极是用陶瓷弹性膜片构成的,膜片在受力发生小挠度变形时,电容与压力近似
成线性函数关系.传感器同时提供了过载保护机制,当被测压力超过量程一定值后,两电极发生接触,有
效地保护了弹性膜片免受损坏.
传感器采用双电容结构,包括上下极板两部分.其陶瓷弹性膜片上烧结了可动电极,并在可动电
极的外面同时烧结一个参考电容,以消除温度对输出信号的影响.同时,在可动电极上再烧结一层介质防
止电极接触时短路.电容极板间的距离由烧结的玻璃体控制,浆料的配方、浓度和烧结的温度变化对极板
的间距都有影响.当被测压力作用在传感器的陶瓷弹性膜片上时,膜片发生变形,使极板的间距发生变化,
导致传感器的电容发生变化,通过测量电路的电容变化即可计算出传感器所受压力的改变,进而测量出压
力,再通过处理电路,将电容的变化转化为 0.5V~5V 输出电压信号.传感器的具体结构如图 1 所示.
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三、建模
陶瓷电容式压力传感器的数学模型的建立分两步.
第一步,对单电容,通过加载和变形的关系给出膜片中心的挠度d0作为压力P的函数,再得出电容的变
化量与压力变化量的关系.
第二步,建立双电容的电容压力模型.
首先,对单电容情况,进行建模分析.
模型的建立,在小挠度情况下,基于以下几点假设:
(1)变形前垂直于中面的直线段在变形后,仍保持为直线并仍垂直于变形后的中面.
(2)垂直于中面的正应力远小于平行于中面的应力分量,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.

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