种基于厚膜陶瓷电容的微位移传感器

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1、一种基于厚膜陶瓷电容的微位移传感器高理升马以武中科院合肥智能所2010.11.12提要一、传感器的设计二、厚膜电容式微位移传感器的研制三、信号处理电路设计与优化四、微位移传感器性能优化五、微位移传感器性能检测与结果分析六、总结与展望一、传感器的设计9/19/20212变间隙式电容传感器原理及结构示意图厚膜电容式微位移传感器剖面结构示意图9/19/20213微位移传感器的芯片与外形结构设计电容芯片示意图传感器外观示意图9/19/20214传感器电容芯片的电极示意图9/19/20215理论仿真分析PZT驱动9/19/20216结构设计及其优化设计图（部分节选）9/1

2、9/20217电容芯片的电极版图（部分节选）9/19/20218二、厚膜电容式微位移传感器的研制总体工艺流程陶瓷弹性膜片、盖板选型传感器标定与性能测试厚膜电容式微位移传感器电路优化与集成化研究电容小信号处理电路设计厚膜电容芯片制作及分选丝网印刷、烧结工艺研究电极浆料、密封浆料遴选理论分析、有限元仿真版图设计、电容量控制9/19/20219传感器工艺研究工艺条件对传感器性能的影响分析；（1）两电极之间的间隙δ；（2）电极面积；（3）结构材料、电极材料；电容电极间填隙材料的选择；印刷、烧结工艺的控制及优化：9/19/202110（1）两电极初始间隙（δ）电极半径为r

3、,上下电极初始间隙为δ0的电容传感器，其初始电容量C0为受到PZT驱动后，式中：ε0=0.0885pF/cm——真空介电常数；εr——极板间介质的相对介电常数9/19/202111极板间距δ的计算极板间距受工作电场强度的限制，同时需要兼顾传感器的灵敏度、线性度以及量程等因素，其一般计算式为：式中，Vw：工作电压（V）；Et：电容的测试电场强度；Ebcp：介质的平均瞬时耐压强度；k1：测试电场强度时的耐压安全系数，≥2；k2：工作场强时的耐压安全系数，1.5～39/19/202112（2）电极面积（电极直径）其中：D－电极直径(cm)，ε为介电常数，δ为电极之间的

4、间距(cm)9/19/202113电容芯片包括陶瓷盖板（厚）和弹性膜片，均选用96%Al2O3陶瓷材料；电容芯片的上下电极由（Pd-Ag）导体浆料印刷、烧结而成，导电性能优良而且其热膨胀系数低、温度系数小；（3）结构材料、电极材料9/19/202114传感器工艺条件与传感器性能间关系提高分辨率和灵敏度：减小间隙δ、弹性膜片的厚度；线性：弹性膜片的平整度、传感器输出等工艺因素；规律（结构、尺寸、工艺）；9/19/202115电容芯片的厚膜印烧工艺流程瓷件清洗烘干丝网制作印刷介质浆料烘干（慢烘）烧结（~850℃）烧结（~550℃）性能标定金属化引线涂孔印刷导体浆料烘

5、干（慢烘）9/19/202116厚膜隧道烧结炉半自动厚膜平面印刷机HSL-3600六温区隧道烧结炉HZL-250红外再流焊炉主要厚膜工艺设备9/19/202117三、信号处理电路设计与优化电容芯片的输出容量小，只有几皮法或几十皮法，必须放大处理；高增益、低噪声放大电路设计；电路设计基本原理和架构9/19/202118容转压专用芯片CAV414是一款多用途处理电容式传感器信号的转换接口集成电路：CAV414能够检测一个被测电容和参考电容的差值；可以检测从10pF到2nF的电容值，输出0~5V电压，满足本项目使用要求；便于使用，仅需很少几个外接元件即可与CAV414

6、组成多种用途的电容式信号转换电压输出接口电路；9/19/202119CAV414容转压芯片工作原理图9/19/202120电路原理图9/19/202121信号处理电路（2008版）右图为08版信号处理电路实物照片，采用双面布线，较厚；当时采用的容转压芯片XE-2004现已停产。9/19/202122信号处理电路（2009版）右图为09版信号处理电路实物照片，采用CAV414容转压芯片，性能较好。9/19/202123信号处理电路（2010版）右图为09版信号处理电路实物照片，采用厚膜工艺实现信号处理电路与电容芯片的一体化集成，性能优异。9/19/202124四、

7、微位移传感器性能优化边缘效应的消除；寄生电容干扰的排除；温度稳定性的提高；信号处理电路优化设计传感器非线性误差9/19/202125传感器的非线性分析与补偿传感器非线性产生的主要原因：边缘效应;寄生电容；温、湿度的干扰；9/19/202126边缘效应引起的非线性当极板厚度t和间隙δ之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略;边缘电场将发生畸变，使工作不稳定，非线性误差增加。9/19/202127边缘效应造成传感器边缘电场畸变，使工作不稳定，非线性误差增加其中；为边缘效应因子；h为极板厚度；δ为间隙9/19/202128克服边缘效应造成传感器边缘电场畸变；增加性能稳

8、定性，减小非线性误差。设