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        陶瓷電容壓力傳感器的特點及典型應用

        壓力傳感器是傳感器中較大門類,廣泛應用於汽車、工業、物聯網等領域,陶瓷電容作爲壓力傳感器中一種主要技術路線,具有耐腐蝕、抗衝擊、介質兼容性好的優點,。本文介紹陶瓷電容原理及典型應用,以供壓力傳感器工程人員參考。

        常用壓力傳感器技術類型

        壓力傳感器一般用於對傳感器敏感器件所處氣體或液體氛圍的壓力測量,一般用於反饋給系統主控單元,實現系統精確控制。壓力傳感器作爲傳感器中的一大門類,在汽車、工業、家電、消費電子等不同行業均有廣泛的應用。常用壓力傳感器從感測原理來區分,主要包括如下幾大類:

        -硅壓阻技術;

        -陶瓷電阻技術;

        -玻璃微熔技術;

        -陶瓷電容技術;

        硅壓阻技術由半導體的壓阻特性來實現,半導體材料的壓阻特性取決於材料種類、摻雜濃度和晶體的晶向等因素。該技術可以採用半導體工藝實現,具有尺寸小,產量高、成本低、信號輸出靈敏度高等優勢。不足之處主要體現在介質耐受程度低,溫度特性差和長期穩定性較差等方面。常見於中低壓量程範圍,如5kPa~700kPa。業界也有通過特殊封裝工藝提高硅壓阻技術的介質耐受程度的方案,如充油、背壓等技術,但也會帶來成本大幅增加等問題。

        陶瓷電阻技術採用厚膜印刷工藝將惠斯通電橋印刷在陶瓷結構的表面,利用壓敏電阻效應,實現將介質的壓力信號轉換爲電壓信號。陶瓷電阻技術具有成本適中,工藝簡單等優勢,目前國內有較多廠家提供陶瓷電阻壓力傳感器芯體。但該技術信號輸出靈敏度低,量程一般限定在500kPa~10MPa,且常規中空結構,僅靠膜片承壓,抗過載能力差,當待測介質壓力過載時,陶瓷電阻傳感器會存在膜片破裂,介質泄露的風險。

        玻璃微熔技術採用高溫燒結工藝,將硅應變計與不鏽鋼結構結合。硅應變計等效的四個電阻組成惠斯通電橋,當不鏽鋼膜片的另一側有介質壓力時,不鏽鋼膜片產生微小形變引起電橋變化,形成正比於壓力變化的電壓信號。玻璃微熔工藝實現難度較大,成本高。主要優勢是介質耐受性好,抗過載能力強,一般適用於高壓和超高壓量程,如10MPa~200MPa,應用較爲受限。

        陶瓷電容技術採用固定式陶瓷基座和可動陶瓷膜片結構,可動膜片通過玻璃漿料等方式與基座密封固定在一起。兩者之間內側印刷電極圖形,從而形成一個可變電容,當膜片上所承受的介質壓力變化時兩者之間的電容量隨之發生變化,通過調理芯片將該信號進行轉換調理後輸出給後級使用。陶瓷電容技術具有成本適中,量程範圍寬,溫度特性好、一致性、長期穩定性好等優勢。國際上來看廣泛應用於汽車與工業過程控制等領域,分別以美國森薩塔和瑞士E+H爲代表。由於電容信號不同於電阻信號,對信號處理電路要求較高,傳感器設計時需要將電容和信號調理芯片ASIC協同考慮,國內目前僅蘇州乐鱼买球APP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品設計

        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爲密封表壓結構,由陶瓷基座和可變形膜片及中空密封腔體三部分組成,承壓面爲可變形膜片,當芯體承壓發生變化時,變形膜承壓後發生彎曲,導致基板間距發生變化,引起極板間電容的變化,電容變化通過調理芯片轉換爲標準輸出(如0~5V電壓輸出、4~20mA電流輸出、I2C、SPI數字輸出等)。

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        圖1:陶瓷電容壓力傳感器承壓前截面圖

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        圖2:陶瓷電容壓力傳感器承壓後截面圖


        典型陶瓷電容壓力傳感器密封結構

        爲保證氣密性,在陶瓷電容壓力傳感器的產品設計種,選用O型圈或者墊片作爲密封的關鍵部件,其中O型圈更爲常見。因爲O型圈具備優良的線性密封特性,承壓範圍寬於墊片(墊片一般推薦用於2MPa以內的密封)等優點。

        O型圈的尺寸、材質、硬度等參數選擇將直接影響最終壓力傳感器的產品性能,需要結合總成尺寸、待測介質類型、工作溫度範圍等因素綜合考慮後選型。

        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。

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        圖3:典型O型圈材料的使用溫度範圍(source:Parker)

        一般來說,汽車空調壓力傳感器,採用HNBR或CR材料的O型圈,機油壓力傳感器採用氟橡膠等。汽車氣剎壓力傳感器可採用硅橡膠材料的O型圈;即便是同一種類材料,各生產廠家通過特殊的摻雜或者聚合處理,可擴展其使用溫度範圍。同一種傳感器應用,可能存在多種可選的材料進行匹配,在具體使用時,應與O型圈廠家進行諮詢確認後,選擇合適的O型圈材料及牌號進行傳感器結構設計。

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        圖4:陶瓷電容典型密封結構示意圖

        壓力傳感器裝配完成後,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型圈壓縮量進行控制。

        臺階二與O型圈槽底構成O型圈槽,對O型圈裝配位置進行限定,另需要O型圈槽的槽頂進行倒圓角以防止O型圈承壓後被殼體切割,對O型圈槽底倒圓角以降低裝配應力。

        陶瓷電容壓力傳感器的典型應用

        陶瓷電容壓力傳感器因其耐腐蝕、抗衝擊、無遲滯、介質兼容性強等優勢可以廣泛應用在水、氣、液多種介質的壓力檢測,尤其適合於汽車系統的惡劣環境下工作。針對物聯網及家電等壓力傳感器的新興應用市場,陶瓷電容抗衝擊優勢可以應用於供水管網的水壓測量,完美應對水錘效應;針對可變壓力的壓力煲應用,陶瓷電容平膜結構可以避免堵塞。

        汽車領域陶瓷電容壓力傳感器典型應用如下表所示:

        應用類型

        典型壓力量程

        傳感器作用

        方案優勢

        汽車空調壓力傳感器

        3.5MPa

        爲壓縮機提供高低壓保護,支持風扇可變風量控制與壓縮機工作控制

        耐腐蝕,冷媒兼容性好,平膜結構,無泄漏風險

        商用車氣剎壓力傳感器

        1.0MPa

        實時監測剎車系統儲氣罐內壓力,爲剎車系統提供閉環反饋信號

        平膜結構,適合含雜質氣體,無堵塞、泄露風險

        機油壓力傳感器

        1.5MPa

        測量並輸出發動機機油壓力,壓力過低時ECU報警並保護發動機

        平膜結構,適合含雜質氣體,無堵塞、泄露風險

        排氣背壓傳感器

        0.5MPa

        測量並輸出發動機排氣背壓,以計算發動機負荷,調整EGR率

        精度高,壽命長,對含硫廢氣不敏感

        變速箱壓力傳感器

        6MPa

        測量並輸出變速箱油壓壓力

        測量精度高,介質兼容性好,適宜在惡劣環境下工作

        表1:汽車領域陶瓷電容壓力傳感器典型應用


        物聯網及家電領域陶瓷電容壓力傳感器典型應用如下表所示: 

        應用類型

        典型壓力量程

        傳感器作用

        方案優勢

        無線消防水壓傳感器

        1.0MPa

        間歇式測量水路壓力並通過無線信號反饋給系統

        抗水錘效應,介質兼容性好,並支持低功耗及數字輸出

        壓力煲壓力傳感器

        0.2MPa

        測量煲內壓力,爲控制系統提供壓力閉環反饋信號

        平膜結構,不易堵塞、可長期高溫下工作

        商用空調壓力傳感器

        3.5MPa

        測量並反饋製冷劑壓力給控制系統,保護壓縮機,並提高控制系統效率

        精度高,溫度特性好,抗衝擊,耐腐蝕,無泄漏風險

        表2:汽車領域陶瓷電容壓力傳感器典型應用

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