基于pdms压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器。包括密闭的耐蚀壳体、以及安装在耐蚀壳体内的PDMS压阻传感单元和不锈钢电容传感单元。耐蚀壳体由中空的螺栓头、不锈钢隔膜、封盖、螺母依次装配而成；PDMS压阻传感单元由绝缘膜、PDMS压阻层和下表面具有检测电极的惰性橡胶上电极衬底组成；不锈钢电容传感单元由中心开孔的不锈钢薄膜极板和后盾基板组成。本发明集合了压阻式和电容式两种力敏感单元，有效实现静态力和瞬态力的二阶量测量，提高测量效率和精度；选用SS316不锈钢作为传感器耐蚀壳体，其优良的强耐腐蚀性等特点满足了传感器在腐蚀性气体及液体下的压力测量要求。
【专利说明】基于PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种基于PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器。
【背景技术】
[0002]压力监控是一个应用广泛的领域，在化工自动化、航空航天以及汽车工业中都有很重要的应用。压力传感器可以用来检测气缸的漏气，轮胎内压力，引擎内压力差、表面的温度差以及油压等。应用于这些领域的压力传感器不仅对于静态力和瞬态力等压力测量类型有明确的要求，而且往往工作在极度苛刻的环境下，需要有抗高温、耐腐蚀的能力。
[0003]目前常用的压力传感器包括压阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器等。其中压阻式传感器是基于压阻效应制造的传感器，其特点在于加工简单，信号易于测量，尤其适合于静态力的测量；电容式传感器其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量，但在瞬态力测量方面优势明显；压电式传感器基于压电效应制造的传感器，特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量，且横向承载力较弱，并不适于恶劣环境下的压力检测。实现静态力和瞬态力的同时测量对于压力监控领域具有重要的科研价值和工程意义。
[0004]在化工自动化、航空航天等需要压力监控的领域，其工作环境往往非常恶劣，工作于这类环境下的压力传感器均需具备抗高温、耐腐蚀的能力，同时也要秉持高稳定、高可靠、低功耗、动态测试等的要求。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种基于PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]基于PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器，由耐蚀壳体、安装在耐蚀壳体内的PDMS压阻传感单元和不锈钢电容传感单元组合而成，其中:
[0008]I)耐蚀壳体包括中空的螺栓头、不锈钢隔膜、封盖和螺母依次装配成一个密闭的腔体；
[0009]2)PDMS压阻传感单元实现静态力的测量，从下至上依次由绝缘膜、PDMS压阻层和下表面具有检测电极的惰性橡胶上电极衬底组成；PDMS压阻传感单元的绝缘膜安装在耐蚀壳体的不锈钢隔膜上；
[0010]3)不锈钢电容传感单元实现瞬态力的测量，从下至上依次由中心开孔的不锈钢薄膜极板和后盾基板组成；不锈钢电容传感单元的不锈钢薄膜极板安装在PDMS压阻传感单元的惰性橡胶上电极衬底上，耐蚀壳体的封盖下底面安装在不锈钢电容传感单元的后盾基板上。
[0011]PDMS压阻层中心具有四片PDMS力敏感构件，均呈75°的扇形，围成一个直径为3mm的圆环；四片PDMS力敏感构件为并联结构且通过电气回路相互连接；惰性橡胶上电极衬底下表面检测电极的中心输入端Ttl和四周的输出端T1?T4的电路与四片PDMS力敏感构件构成四个压阻单元，其阻值分别表示为Rp R2、R3、R4，形成并联回路，力敏感构件呈扇形分布，可有效缓解压力作用不均匀导致的测量偏差。
[0012]中心开孔的不锈钢薄膜极板作为不锈钢电容传感单元的下极板，直径为10_，薄膜极板厚度为100 μ m,中心开孔直径为5mm,中心开孔的深度为20 μ m。后盾基板作为不锈钢电容传感单元的上极板，由在超高硬度的碳化钨衬底下表面涂覆绝缘层加工而成，绝缘层朝向中心开孔的不锈钢薄膜极板一侧。
[0013]电容传感单元分为非接触式测量和接触式测量两个阶段，当压力值不大时，不锈钢薄膜不会接触到后盾基板，为非接触式测量；当压力值增大使得不锈钢薄膜接触到后盾基板后，传感单元进入接触式测量阶段，该方法有效提高压力测量范围。
[0014]本发明具有的有益效果是:
[0015]I)采用PDMS和不锈钢材料设计了耐蚀压力传感器，集合了压阻式和电容式两种力敏感单元，有效实现静态力和瞬态力的二阶量测量，提高测量效率和精度。
[0016]2)选用SS316不锈钢作为传感器壳体，其优良的固态应变、动态性能、强耐腐蚀性等特点满足了传感器在腐蚀性气体及液体下的压力测量要求，可广泛应用于航空航天、化工自动化控制等领域。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1是本发明传感器结构示意图。
[0018]图2是本发明耐蚀壳体三维分解图。
[0019]图3是本发明PDMS压阻传感单元分层示意图。
[0020]图4是本发明PDMS压阻层二维平面图。
[0021]图5是本发明PDMS压阻传感单元惰性橡胶上电极衬底仰视图。
[0022]图6是本发明不锈钢电容传感单元分层示意图。
[0023]图7是本发明不锈钢电容传感单元剖面图。
[0024]图8是本发明传感器结构爆炸图。
[0025]图9是本发明传感器装配示意图。
[0026]图中:1、耐蚀壳体，2、PDMS压阻传感单元，3、不锈钢电容传感单元，4、中空的螺栓头，5、不锈钢隔膜，6、封盖，7、螺母，8、绝缘膜，9、PDMS压阻层，10、惰性橡胶上电极衬底，11、电气回路，12、PDMS力敏感构件，13、检测电极，14、不锈钢薄膜极板，15、后盾基板，16、绝缘层，17、碳化钨衬底。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0028]如图1、图2、图8、图9所示，该传感器由耐蚀壳体I，安装在耐蚀壳体I内的PDMS压阻传感单元2和不锈钢电容传感单元3组合而成，其中:
[0029]耐蚀壳体1:包括中空的螺栓头4、不锈钢隔膜5、封盖6和螺母7依次装配成一个密闭的腔体，装配完成后形成一个密闭的腔体，将PDMS压阻传感单元2和不锈钢电容传感单元3从腐蚀性液体或气体环境中隔离。[0030]如图3、图4、图5所示，PDMS压阻传感单元2:从下至上依次由绝缘膜8、PDMS压阻层9和下表面具有检测电极13的惰性橡胶上电极衬底10组成；PDMS压阻传感单元2的绝缘膜8安装在耐蚀壳体I的不锈钢隔膜5上；选用PDMS材料制造压阻层和选用惰性橡胶作为电极衬底的目的均在于提高压阻传感单元的柔韧性、稳定性，从而使传感器更适应于高温、高压、高振动的测量环境。
[0031]如图6、图7所示，不锈钢电容传感单元3:从下至上依次由中心开孔的不锈钢薄膜极板14和后盾基板15组成；不锈钢电容传感单元3的不锈钢薄膜极板14安装在PDMS压阻传感单元2的惰性橡胶上电极衬底10上，耐蚀壳体I的封盖6下底面安装在不锈钢电容传感单元3的后盾基板15上。
[0032]如图4、图5所示，所述PDMS压阻层9中心具有四片PDMS力敏感构件12，均呈75°的扇形，围成一个直径为3mm的圆环；四片PDMS力敏感构件12为并联结构且通过电气回路11相互连接；惰性橡胶上电极衬底10下表面检测电极13的中心输入端Ttl和四周的输出端T1~T4的电路与四片PDMS力敏感构件12构成四个压阻单元，其阻值分别表示为札、R2、R3、R4,形成并联回路，力敏感构件12呈扇形分布，可有效缓解压力作用不均匀导致的测量偏差；四个压阻单元的阻值可直接测量得到。 [0033]如图6、图7所示，所述中心开孔的不锈钢薄膜极板14作为不锈钢电容传感单元3的下极板，采用SS316不锈钢加工,直径为IOmm,不锈钢薄膜极板14厚度为100 μ m,中心开孔直径为5mm,中心开孔的深度为20 μ m。
[0034]如图6、图7所示，所述后盾基板15作为不锈钢电容传感单元3的上极板，由在超高硬度的碳化钨衬底17下表面涂覆绝缘层16加工而成，绝缘层16朝向中心开孔的不锈钢薄膜极板14 一侧。选用超高硬度的碳化钨材料可减小干扰压力产生的不锈钢电容传感单元3变形，提高测量精度。不锈钢电容传感单元3分为非接触式测量和接触式测量两个阶段，当压力值不大时，不锈钢薄膜极板14不会接触到后盾基板，为非接触式测量；当压力值增大使得不锈钢薄膜极板14接触到后盾基板后，不锈钢电容传感单元3进入接触式测量阶段，该方法有效提高压力测量范围。
[0035]本发明的工作原理是:
[0036]PDMS压阻传感单元2实现静态力的测量，假设PDMS为理想材料，则静态压力Ps作用引起的四组压阻单元电阻量变化可表示为:
[0037]AR1 = IcpsR1 (I)
[0038]AR2 = kpsR2 (2)
[0039]Δ R3 = kpsR3 (3)
[0040]Δ R4 = kpsR4 (4)
[0041]其中k为压阻单元电阻系数。
[0042]因传感器设计采用电极T1~T4成对称结构排布，因此由四个电极的对称性可得:
I ARl AR, AR, ARΛ
_3]私v5)
,1z34
[0044]不锈钢电容传感单元3实现瞬态力的测量，分为非接触式测量和接触式测量两个阶段，当压力值不大时，不锈钢薄膜极板14不会接触到后盾基板，为非接触式测量。当不锈钢电容传感单元3处于这个阶段时，不锈钢薄膜极板14的变形量如下式所示:[0045]
【权利要求】
1.一种基于PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器，其特征在于:该传感器由耐蚀壳体(I)，安装在耐蚀壳体(I)内的PDMS压阻传感单元(2)和不锈钢电容传感单元(3)组合而成；其中: 1)耐蚀壳体(I):包括中空的螺栓头(4)、不锈钢隔膜(5)、封盖(6)和螺母(7)依次装配成一个密闭的腔体； 2)PDMS压阻传感单元(2):从下至上依次由绝缘膜(8)、H)MS压阻层(9)和下表面具有检测电极(13)的惰性橡胶上电极衬底(10)组成；PDMS压阻传感单元⑵的绝缘膜(8)安装在耐蚀壳体(I)的不锈钢隔膜(5)上； 3)不锈钢电容传感单元(3):从下至上依次由中心开孔的不锈钢薄膜极板(14)和后盾基板(15)组成；不锈钢电容传感单元(3)的不锈钢薄膜极板(14)安装在PDMS压阻传感单元(2)的惰性橡胶上电极衬底(10)上，耐蚀壳体(I)的封盖(6)下底面安装在不锈钢电容传感单元(3)的后盾基板(15)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器，其特征在于:所述PDMS压阻层(9)中心具有四片PDMS力敏感构件(12)，均呈75°的扇形，围成一个直径为3 mm的圆环；四片PDMS力敏感构件(12)为并联结构且通过电气回路(11)相互连接；惰性橡胶上电极衬底(10)下表面检测电极(13)的中心输入端Tci和四周的输出端T1I4的电路与四片PDMS力敏感构件(12)构成四个压阻单元，形成并联回路。
3.根据权利要求1所述的一种PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器，其特征在于:所述中心开孔的不锈钢薄膜极板(14)作为不锈钢电容传感单元(3)的下极板，直径为IOmm,薄膜极板厚度为100 μ m,中心开孔直径为5mm,中心开孔的深度为20 μ m。
4.根据权利要求1所述的一种PDMS压阻和不锈钢电容的耐蚀压力传感器，其特征在于:所述后盾基板(15)作为不锈钢电容传感单元(3)的上极板，由在超高硬度的碳化钨衬底(17)下表面涂覆绝缘层(16)加工而成，绝缘层(16)朝向中心开孔的不锈钢薄膜极板(14)一侧。
【文档编号】G01L1/18GK103968975SQ201410193040
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】余建平, 张玉良, 邓小雷, 李欣, 周兆忠 申请人:衢州学院