一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法
阅读说明：本技术 一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法 (Capacitive pressure sensor electrode and back end circuit sealing method ) 是由 乔冠军 王立朋 邵海成 刘桂武 陆浩杰 张相召 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及传感器领域,尤其涉及一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法。采用陶瓷材料作为基底和敏感膜片,工艺过程包括电极图案制备、陶瓷片清洗、制备金电极、热处理金电极、丝网印刷浆料、封装、加压烧结以及电路连接与信号调理。本发明有效减少边缘效应的非线性问题,具有测量精度高、误差小、测量灵敏度高等特点,而且工艺成本低。(The invention relates to the field of sensors, in particular to a method for sealing an electrode and a back end circuit of a capacitive pressure sensor. The ceramic material is used as a substrate and a sensitive membrane, and the technological process comprises electrode pattern preparation, ceramic wafer cleaning, gold electrode preparation, gold electrode heat treatment, silk screen printing slurry, packaging, pressure sintering, circuit connection and signal conditioning. The invention effectively reduces the non-linear problem of the edge effect, has the characteristics of high measurement precision, small error, high measurement sensitivity and the like, and has low process cost.)
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法。
背景技术
随着物联网与智能化逐渐进入工业化，传感器在生产、生活、科学研究和军事等领域上应用越来越广泛。其中，电容式压力传感器应用的需求大大增加。然而现在技术比较先进的电容式压力传感器多数是由国外的大公司研究的，他们起步较早、技术成熟，目前国内很少有能够生产出应用的电容式压力传感器。电容式压力传感器：目前变间距原理的电容式压力传感器虽然具有功耗低、温漂小、结构简单等特点，但也存在一些问题。第一个是上下极板电极引出问题，封装困难可靠性较差。第二个问题是非线性问题，由于陶瓷敏感膜片与陶瓷基底封装在施加应力时导致中间形变量大边缘形变量小产生的边缘效应，使电容值与待测压力之间存在非线性问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种陶瓷膜片与陶瓷基底结构的封接方法，以及减少非线性误差的电极结构，并结合传感器电极结构与相对应的后端调理电路进行封接，有效减少边缘效应的非线性问题，具有测量精度高、误差小、测量灵敏度高等特点，而且工艺成本低。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：采用制图软件对电极进行设计，下电极采用同轴双电极，电极面积为28-30mm2，如图2所示，包括测量电极引线、参考电极引线、参考电极、测量电极，参考电极和测量电极同轴，上电极采用的面积为63-65mm2的单电极，如图3所示，包括上电极和从上电极引出的电极引线，其中黑色为镂空部分，并根据图案设计磁控溅射工艺所需的掩膜版。
步骤二：将陶瓷基底与陶瓷膜片抛光、碱洗、超声清洗并烘干。
步骤三：将烘干后的陶瓷基底与陶瓷膜片放入加工好的金属模具中，再放置掩膜版，采用高精度磁控溅射仪在陶瓷膜片和陶瓷基底的抛光面制备出附着均匀、结合力强的金电极。
步骤四：将步骤三的镀有金电极的陶瓷膜片和陶瓷基底放于马弗炉内进行热处理。
步骤五：将步骤四热处理好的陶瓷膜片与陶瓷基底放于设计好的金属模具中，用丝网印刷机将封装料浆通过设计好的印刷图案印制在带有电极图案的陶瓷基底和陶瓷膜片的一面上，印刷图案如图4所示，包括了三个直径分别为20mm、17.5mm、15mm同轴圆环、与图2下电极的测量电极引线相对应的测量电极引线孔、与图2下电极的电极引线相对应的参考电极引线孔、与图3中的上电极的电极引线相对应的上电极引线孔和定位孔，封装浆料通过图4中孔径为200-300目的丝网印刷网孔，将封装浆料图案印制在陶瓷基底与陶瓷膜片上。
步骤六：将步骤五制备好的陶瓷膜片和陶瓷基底按照图4中定位孔的位置进行定位。
步骤七：将步骤六定位好的陶瓷膜片与陶瓷基底通过加压烧结键合制备出传感器敏感元件。
步骤八：设计电路如图5，并制备电路板与步骤七中的传感器敏感元件连接。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤一，电容的下电极设计为同轴面积相等的双电极，如图2所示，参考电极和测量电极，这样设计减少了中间形变量大边缘形变量小带来的边缘效应，上电极设计为单电极其半径与下电极参考电极半径相同，如图3所示。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤二中，使用抛光机对陶瓷膜片和基底进行抛光，抛光后的面粗糙度为2.5μm-2.7μm，使金电极更好的与陶瓷基底结合，按照质量比NaOH：汰渍洗衣液＝1:2.5，配置碱洗溶液进行加热碱洗，其目的在于除去陶瓷表面油污，最后对陶瓷进行酒精超声30-120min，在烘箱80-100℃烘干2-12h。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤三中，将陶瓷基底与膜片放入加工好的金属模具中，使用高精度双靶磁控溅射仪将纯度为99.99wt％的金靶材与另一个纯度为99.9wt％的铬靶材作为电极制备材料，先溅射铬靶材，后溅射金靶材，制备出陶瓷膜片与陶瓷基底的电极膜厚为250～300nm。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤四中，将镀有金电极的陶瓷膜片和陶瓷基底放置马弗炉内，在400-600℃温度下热处理10-60min。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤五中，将陶瓷膜片和陶瓷基底进行丝网印刷封装料浆进行封装，通过控制不同印刷次数来控制丝网印刷的厚度，图案如图4，印刷次数为1-8次，厚度为10-40μm。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤六中，通过陶瓷基底与陶瓷膜片上预留的定位孔进行定位，确保上下电极的引线与封装图案的引线孔对应以及电路的连通。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤七中，设计封装温度，在马弗炉中400-600℃、3-10kpa压力下烧结30-90min形成密封的传感器敏感元件。
上述的一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法，其特征在于，步骤八中，所述的设计与传感器敏感元件相匹配的电路，采用CAV424芯片将电容信号转换为电压信号，传感器敏感元件的测量电容CR与参考电容CL分别与芯片内部的积分器连接，测量电容与参考电容的充放电电流通过管脚2处的120kΩ电阻和管脚3处的120kΩ来调准，充放电过程的时间由振荡器的频率决定，振荡器频率由管脚12处的15pF电容和管脚1处120kΩ电阻调准，输出电压的零点和满度通过电路的电阻R1～R5调准，其中R3与R1为可变电阻，管脚6处的输出端Vout与单片机相连接显示电压输出。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.基于陶瓷材料的性能与变间距原理设计了电容压力传感器的两个电极，设计了上电极为同轴双电极的减小了边缘效应带来的非线性问题提高测量精度使误差小于0.3％。
2.采用封装浆料在高温下封装增加了陶瓷片之间键合强度提高了敏感元件的耐腐蚀、抗载荷能力。
3.本发明与传统电路相比设计出可调节的电路提高了测量的线性度，并且电路简单、元器件少以及可调节性强，调节过程不需要用到十分复杂的步骤。
附图说明
图1是本发明一种电容式压力传感器电极及后端电路封接方法的工艺流程图。
图2是本发明的下电极结构示意图。
图3是本发明的上电极结构示意图。
图4是本发明的封装图案。
图5是本发明的电路图。
图2中，包括测量电极引线1、参考电极引线2、参考电极3、测量电极4，图3中，包括电极引线5、上电极6，图4中，包括测量电极引线孔7、参考电极引线孔8、上电极引线孔9、印刷图案10、定位孔11，图5是电路原理图,最后生产出PCB电路板。
具体实施方式
实施案例1
步骤一：使用绘图软件设计电极，包括上电极、下电极、封装图案。
步骤二：将氧化铝陶瓷基底与陶瓷膜片在抛光机上进行粗抛、细抛，抛光后面粗糙度为2.6μm，在配好的溶液中碱洗30min，酒精超声清洗30min，在烘箱内80℃烘干12h。
步骤三：使用高精度测控溅射仪器在陶瓷膜片与基底上，在150℃的条件下先溅射100nm的铬，在溅射200nm的金。
步骤四：将步骤三的陶瓷膜片和陶瓷基底放于马弗炉内在600℃热处理20min。
步骤五：将步骤四热处理好的陶瓷膜片与陶瓷基底放于设计好的金属模具中，用丝网印刷机将封装料浆通过设计好的印刷图案印制在带有电极图案的陶瓷基底和陶瓷膜片的一面，印刷次数为4次，厚度为20μm。
步骤六：将步骤五中印刷好的陶瓷膜片与陶瓷基底封装，使上电极与下电极的引线孔对应，通过陶瓷基底与陶瓷膜片上预留的定位孔进行定位，确保上下电极的引线对应以及电路的连通。
步骤六：将步骤五制备好的陶瓷膜片与陶瓷基底通过施加压力加压烧结键合成传感器敏感元件，马弗炉温度500℃，压力5kpa，烧结时间60min。
步骤七：设计电路原理图，并制备PCB电路板与步骤五中的传感器敏感元件相连接。
采用本案例基于边缘效应的传感器存在非线性问题。本发明提出了一种解决非线性问题，设计出两个面积相等的电极，在某个温度下，当外界压力作用于传感器时，陶瓷膜片形变会使膜上两个电极形成的两个电容其中一个参考电容起修正作用，当电容值发生变化时，根据测得的两个电容值，通过后端处理电路对电容信号转换处理得到可测的电压值，通过后端处理电路对电容信号转换处理得到可测的电压值，从而实现对压力的测量，通过连续性动态测试得到，线性度在0.3％-0.5％之间。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
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