陶瓷电容压力传感器的原理及应用解析

电子工程师 2019-07-10 15784

MEMS/传感技术

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描述

压力传感器是传感器中较大门类，广泛应用于汽车、工业、物联网等领域，陶瓷电容作为压力传感器中一种主要技术路线，具有耐腐蚀、抗冲击、介质兼容性好的优点。

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）。

压力传感器

图1：陶瓷电容压力传感器承压前截面图

压力传感器

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。

压力传感器

图3：典型O型圈材料的使用温度范围（source：Parker）

一般来说，汽车空调压力传感器，采用HNBR或CR材料的O型圈，机油压力传感器采用氟橡胶等。汽车气刹压力传感器可采用硅橡胶材料的O型圈；即便是同一种类材料，各生产厂家通过特殊的掺杂或者聚合处理，可扩展其使用温度范围。同一种传感器应用，可能存在多种可选的材料进行匹配，在具体使用时，应与O型圈厂家进行咨询确认后，选择合适的O型圈材料及牌号进行传感器结构设计。

陶瓷电容压力传感器的一般密封结构如下图所示：

压力传感器

图4：陶瓷电容典型密封结构示意图

压力传感器装配完成后，陶瓷电容底部需要与金属外壳保持一定的距离（上图中间隙）。一般陶瓷电容压力传感器承受正压，因此仅保留O型圈槽外圈，以降低加工难度。

通过控制上图中台阶一与O型圈槽底的高度差，对O型圈压缩量进行控制。

台阶二与O型圈槽底构成O型圈槽，对O型圈装配位置进行限定，另需要O型圈槽的槽顶进行倒圆角以防止O型圈承压后被壳体切割，对O型圈槽底倒圆角以降低装配应力。

陶瓷电容压力传感器的典型应用

陶瓷电容压力传感器因其耐腐蚀、抗冲击、无迟滞、介质兼容性强等优势可以广泛应用在水、气、液多种介质的压力检测，尤其适合于汽车系统的恶劣环境下工作。针对物联网及家电等压力传感器的新兴应用市场，陶瓷电容抗冲击优势可以应用于供水管网的水压测量，完美应对水锤效应；针对可变压力的压力煲应用，陶瓷电容平膜结构可以避免堵塞。

汽车领域陶瓷电容压力传感器典型应用如下表所示：

表1：汽车领域陶瓷电容压力传感器典型应用

压力传感器

物联网及家电领域陶瓷电容压力传感器典型应用如下表所示：

表2：汽车领域陶瓷电容压力传感器典型应用

压力传感器

苏州纳芯微电子可提供工作压力范围0.5MPa~10MPa的陶瓷电容压力传感器，多种量程可选，并可提供防水版本；结合容式信号调理专用芯片NSC9260，我们能够为客户提供完整电容传感器解决方案，并可根据客户实际需求提供定制化传感器系统解决方案。

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