专利名称：钨铁酸铅电容传感器、弛豫材料以及弛豫材料的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种钨铁酸铅(leadiron tungstate)电容传感器。更具体地，本发明涉及一种具有低温度系数、高压力系数以及低磁滞效应的钨铁酸铅电容压力传感器。
背景技术：
压力的测量对于工业的制造和加工是至关重要的。尤其是在某些工业如汽车、航空、钢铁以及高强度材料的合成中需要在大范围内对压力进行精确地测量。在所有这些工业部门中，测量的精确度是十分重要的，这不仅是源于对质量的考虑而且是安全的必备条件。没有一个装置能够以相同的精确度和可重复性测量全部的压力范围。这种装置也不能够对小的压力变化产生足够的灵敏度或是在很宽的工作温度内保持稳定(范围为10～50℃)。因此所需系统应必备的特性包括高压力系数以便探测即使在大绝对值的情况下的微小变化，以及在大的温度范围内的最小漂移也就是具有低温度系数。传统的压力测量方法是使用液柱压力计。然而作为一种绝对测量仪表，它的使用应限制在较低的压力范围内即0.1Pa～200kPa。此装置的另一个缺点是不便于两地间运输。P.L.M.Heydemann和B.E.Welch等人在‘实验热力学’(Vol.II，B.LeNiendre and B.Vodar(eds)，Butterworths(1975))以及R.S.DADSON等人在‘压力的平衡理论和实践’(NATIONAL Physical Laboratory，Teddington，England and J.K.N.Sharma and Kamlesh K.Jain，Pramana，JPHYSVol 27 pp 417(1986))中披露，活塞压力计容易测量达到300Mpa的压力并且经过适当保护这种活塞压力计能够运输。然而，如果全部装配的尺寸没有增加，这种活塞压力计将不能测量超过300Mpa的压力，而这需要经专门训练的人员来完成，是一件很麻烦的事情。因此这种装置对于野外工作是没有价值的。
G.F.Molinar、L.Bianchi和J.K.N.Sharma等人提出用锰镍铜合金电阻丝在大范围内探测压力。但是锰镍铜合金电阻丝的主要缺点是准确度低，仅仅±0.1％，而通常要求至少为±0.05％或更低。此外，这种传感器还有一个零位偏移的不良特性将导致错误的测量并且在测量时需要紧急的温度控制。虽然此装置可以用于高压工作中，对于像58Mpa低压范围的使用是被限制的。A.W.Birks披露了另一种压力测量装置(Report No.1566 of Queen’s University ofBelfast)。被公开的装置被称为应变仪(strain gauge)。然而，这种装置具有与锰镍铜合金电阻丝相同的缺点并且由于大的磁滞效应(hysteresis)和零位偏移的缘故，此装置测量电压的准确性低。
另一种类型的以测量电阻为基础的压力测量装置在编号为No.5,578,765的美国专利中得到披露。上述公开的专利指出当外加力改变时，外加力作用于传感器阵列的压力导致电阻值的改变，其中传感器阵列本质上是由电阻元件组成。压力依存性于两个阵列的逐渐接触有关，由此降低了系统的电阻。发明者披露了测量电阻和外加压力的曲线关系。在高压时，电阻降到相当低的值。这种低电阻值不能被准确地测量到，因而可能导致压力测量可能出现错误。另一个缺点是此专利装置用作压力传感器时需要一个极限压力。从而，本装置被限制在低于要求的极限压力下使用。G.F.MOLINAR等人于1998年试图用陶瓷棒改进现有的压力传感器(Measurement，Vol.24，pp 161(1998))。尽管这种压力传感器改良了分辨率和灵敏度，它还缺乏可重复性并有明显的磁滞效应。最后一个不良特性的存在将导致在测量压力时错误的增加。
PCT申请PCT/WO US9405313披露了能够测量100PSI～22,000PSI压力的电容传感器。然而，所使用的结构相当复杂——一个金属膈板(diaphragm)与一个绝缘的氧化铝相隔离，其间距为0.00005英寸和0.020英寸。金属膈板与绝缘板之间如此小的间距是很难保持的。当需要进行野外实验时，传导器不具备能够经得起运输的坚固性。另外，此装置还具有因其结构而产生的高磁滞效应。Andeen等人披露了以离子晶体作为压力感受元件，使离子晶体在夹层结构中形成电容器(Rev.of Sci.Instruments，Vol.42，PP 495，(1971))。压力测量的原理基于外加压力引起电容的变化，以及两个电极之间含有电介质材料的电容器结构。然而，被报道材料的电容因温度改变的会产生很大的变化(温度系数＝250ppm/℃)并且具有低压力系数(-38ppm/MPa)。因此这种材料更适用作温度传感器而非压力传感器。KAMLESH K.Jain和Subhash C.Kashyap在‘高温和高压’中(Vol.27/28 pp 371(1995))披露了铋锗氧化物的使用。其电容的压力系数和温度系数分别为100ppm/MPa and 60ppm/℃。这提示伴有压力地电容变化可被用于压力的测量。其可靠性在某种程度上是因低温系数得以保证而非用作压力计的水平。M.V.Radhika Rao等人在材料科学杂志中披露了另一种材料(J Material Science LetterVol.12，pp 122(1997))。被披露的材料是一种弛豫材料(relaxormaterial)，其组成如下44％铅铁铌酸盐(lead iron niobate)、44％铅锆铌酸盐以及12％钛酸钡。可观察到这个复合物的压力系数升高但温度系数没有显著的降低，因此不值得用作具有电容参数的压力传感器。典型的烧结过程参数如温度900℃。压力系数为430ppm/MPa，温度系数为+0.002/℃。因此，上述的弛豫材料不被更广泛的用作压力传感器。
因此，所有已公开的现有技术的普遍不足之处是精确度低、可供使用的压力范围窄、对传感器保持精确温度的依赖性以及磁滞效应。
发明目的本发明的主要目的是提供钨铁酸铅电容传感器。
本发明的另一目的是提供具有低导热系数、高压力系数和低磁滞效应的钨铁酸铅材料的制备过程。
本发明进一步的目的是提供制备掺杂型的钨铁酸铅弛豫材料的固态煅烧方法。
本发明更进一步的目的是提供制备非掺杂型的钨铁酸铅弛豫材料的两步煅烧过程。
本发明的另一目的是提供一种电容压力传感器，它能够在大的压力范围内0.5MPa～41SMPa进行测量。
发明概述本发明提供一种钨铁酸铅电容压力传感器，它包含一个具有抛光的第一层平面和抛光的第二层平面的圆盘，上述抛光的第一层平面完全被覆金属电极，抛光的第二层平面也被覆金属电极，抛光的第二层平面上的上述金属电极包含几个被覆成形的圆形部分，其中包括一个中心部分、一个同心的被覆的环形部分、一个将前述二者分开的清晰的同心的环形区域；在抛光的第一层平面的金属电极、抛光的第二层平面的被覆的中心部分的金属电极、及抛光的第二层平面的被覆的同心环形部分的金属电极上固定有金属导线。
本发明的一个实施方式中，金属电极选自银、铝和金组成的一组成分中。
本发明的另一个实施方式中，金属电极的厚度在1000-2000范围内。
本发明的另一个实施方式中，同心环区域的宽度在10-50λ范围内。
本发明的另一个实施方式中，金属丝是金或银。
本发明的另一个实施方式中，金属丝的纯度至少是99.99％。
本发明进一步的实施方式中，金属电极是由已知的真空蒸发法例如热蒸发淀积而成。
本发明进一步的实施方式中，电容压力传感器可用于0.5MPa～415MPa范围内的压力测量。
本发明的另一个实施方式中，在0.5MPa～415Mpa全部范围内压力传感器的准确度是±0.05％。
本发明的另一个实施方式中，传感器压力系数的绝对值在497ppm/MPa～622ppm/Mpa范围内。
本发明的另一个实施方式中，传感器温度系数范围为-0.006/℃～0.008/℃。
本发明的另一个实施方式中，传感器的磁滞效应可以忽略。
本发明还描述了用于制造电容传感器的钨铁酸铅弛豫材料，包含非掺杂形式的化学计量组成为Pb(Fe2/3W1/3)O3的物质。
本发明的另一个实施方式中，弛豫材料掺杂了含有1％～5％重量百分比的铅。
本发明还描述了用于制造钨铁酸铅电容传感器的弛豫材料的制造过程，即称取并混合适当重量含量的湿研磨氧化铁、氧化钨和氧化铅，生产出非掺杂型化学计量比为Pb(Fe2/3W1/3)O3最终材料，以用于固态烧结。
本程序的另一个实施方式中，初始材料的纯度至少为99.9％。
本发明的另一个实施方式中，使用过量的PbO以获得自掺杂的理想化学计量比的弛豫材料，其掺杂水平应在1％～5％重量百分比范围内。
本过程的另一个实施方式中，掺杂是指在最初的混合物中加入过量的PbO的盐并将所得混合物湿研磨。
本发明的另一个实施方式中，湿研磨材料在不低于800℃的温度下煅烧2小时。
本发明的另一个实施方式中，煅烧过的材料进一步研磨约10小时以确保混合的和相互反应的成分完全均化。
本发明的另一个实施方式中，结合剂，更优选聚乙烯醇加入到均化的粉体中。
本发明还描述了制备钨铁酸铅弛豫材料的两步煅烧过程，即将适当重量含量的湿研磨氧化铁、氧化钨混合物在约1000℃煅烧2小时，在混入氧化铅后再将煅烧过的材料进一步研磨约10小时从而生产出化学计量比为Pb(Fe2/3W1/3)O3的最终产品。


图1表示相对介电常数随压力的变化。图(A)是纯的钨铁酸铅材料；(B)是掺杂1％重量百分比的铅的材料；(C)是掺杂5％重量百分比的铅的材料。
图2表示相对介电常数随样品温度的变化。图(A)是纯的钨铁酸铅材料；(B)是掺杂1％重量百分比的铅的材料；(C)是掺杂5％重量百分比的铅的材料。
图3表示相对介电常数随样品压力的变化。曲线(A)代表第二煅烧温度为750℃；曲线(B)表示第二煅烧温度为810℃；曲线(C)表示第二煅烧温度为830℃。电容测量时的样品温度为30℃。
图4表示相对介电常数随样品温度的变化。曲线(A)表示第二煅烧温度为750℃；曲线(B)表示第二煅烧温度为810℃；曲线(C)表示第二煅烧温度为830℃。所有测量过程中的外加压力为0.1MPa。
发明详述本发明的弛豫材料通过固态烧结制备。所有初始材料均为纯品并且更优选纯度至少为99.9％。材料选择的重量含量应能够产生非掺杂的化学计量比为Pb(FE2/3W1/3)O3的最终材料，(PFW)。相同材料还可以通过使用过量的PbO来制备，以获得自掺杂的理想化学计量比的PFW。掺杂是指在最初的混合物中加入过量的PbO的盐并进行湿研磨，以获得均化的材料。加入过量的氧化铅是为了弥补在高温处理时因高蒸汽压力而丢失的铅成分。加入过量的氧化铅的另一个益处是在最终材料中获得自掺杂的铅从而了解其对于特性的影响。称取并进行了湿研磨的材料再经煅烧从而达到氧化物完全反应并形成PFW的目的。煅烧通常是在不少于800℃的温度下进行2小时。煅烧过的材料进一步研磨约10小时。长时间的研磨是为确保混合的和相互反应的成分完全均化。结合剂，更优选聚乙烯醇加入到这种粉体中。混合物再放入制粒机中制成样品。
首选的实施方式中，使用了制备钨铁酸铅弛豫材料的两步煅烧过程。本方法被称作Columbite法，其中所有初始材料均为纯品并且更优选纯度至少为99.9％。材料选择的重量含量应能够产生非掺杂的化学计量比为Pb(FE2/3W1/3)O3的最终材料，以下称作PFW。适当重量的湿研磨氧化铁和氧化钨被混合，然后在优选温度为1000℃的条件下煅烧2小时。与氧化铅混合后，煅烧过的材料进一步研磨约10小时。长时间的研磨是为确保混合的和相互反应的成分完全均化。混合的煅烧过的粉体再在750～830℃范围内煅烧，更优选温度为810℃。结合剂，更优选聚乙烯醇加入到这种粉体中。混合物再放入制粒机中制成样品。
在两个首选的制备弛豫材料的实施方式中，样品的典型尺寸为直径18mm、厚度1.5mm，但并不以此为限。制备好的PFW样品用于确定压力测量的参数。这些样品的两侧通过真空蒸发作用被覆了一层银薄膜以形成完整的电容结构。电极结构是指由薄膜，更优选银，完全被覆的圆盘的一个平面。与小球第一个表面相对的另一平面也被覆了一层银薄膜，被覆时使用了一个细金属环封闭，以致形成了一个中央的圆形覆膜部分和一个位于边缘的同心的环形覆膜部分。
所有的淀积作用是通过标准真空加热蒸发系统完成的。两部分由一个狭窄的清晰的同心环空隙分割开。这个清晰的环形空隙的宽度为50λ。使用同心环是为了消除交流电(ac)测量时因杂散电容而引起的错误。纯度为99.99％的细银丝以很小的空间附着于金属电极上。所形成的电容结构再用于测量掺杂和非掺杂型PFW材料的导热系数和压力系数，这两种材料由本发明首选的两个实施方式制备而成并用于弛豫材料的制造。进行温度和压力测量时，电容结构被置于一个标准的试件支持器中。这个支持器被置于常规的高压容器中。通过使用恒温槽使容器的温度保持在±0.05℃的变化范围内(Model No.RTE8DD，NESLAB，USA)。压力通过二乙基己基癸二酸盐液体传输。
在预先调试好的恒温条件下，压力逐渐从大气压(0.1Mpa)变化到415Mpa，并且通过自动电容桥(Andeen Hagerling，model 2500A，USA)以lkHz的固定频率测量样品的电容。在进行弛豫材料压力特性的测量时，需要记录的数据包括伴有大幅压力升高时的电容变化以及由最大外加压力引起的压力降低时的电容变化。这是为了测定材料的磁滞效应。
图1显示了样品温度为30℃时K/K0比率随外加压力的变化。K/K0比率是根据测量的电容，通过以下公式计算出介电常数K和K0而确定的。
K和K0分别是有外加力和没有外加力时的介电常数。
图1中，图(A)是非掺杂型弛豫材料K/K0随压力的变化，近似成直线并且没有出现磁滞效应。图(B)在同一图中代表掺杂1wt％Pb的材料。这条直线的斜率比图(A)更加地明显表明掺杂起到了改善压力特性的作用。这是因为小的压力变化导致介电常数大的改变。曲线(C)代表掺杂5wt％Pb的材料，它进一步提高了K/K0和压力之间曲线的斜率。因此，增加掺杂铅的量可以得到更好特性的材料。使用如下公式计算压力系数 另外，保持压力固定在比如0.1MPa，温度会从10℃上升至50℃从而测量电容的温度系数。在测量弛豫材料的温度特性时，需要记录的数据包括伴有大幅温度升高时的电容变化以及达到最大温度后伴有温度下降时的电容变化，这是为了测定材料的磁滞效应。
根据电容数据和介电常数，使用如下公式计算样品的温度系数和压力系数 根据前述公式，应用电容值和其它材料参数及常数确定介电常数。
图2显示在给定压力下，比如0.1Mpa，K/K0随温度的变化。曲线(A)代表非掺杂型材料而(B)和(C)分别代表掺杂1和5％重量百分比的铅的材料。图(A)的斜率变化高于(B)和(C)。这清晰地表明铅的掺杂改善了钨铁酸铅的耐高温性能，本材料易被用作具有所需的高压力系数和低温度系数性质的压力传感器。
图3显示了通过两步煅烧制成(Columbite process)的钨铁酸铅弛豫材料样品的K/K0比率随外加压力的变化，，样品温度为30℃，并保持在±0.05℃范围内。K/K0比率是根据测量的电容，通过以下公式计算出介电常数K和K0后加以确定的。
K和K0分别是有外加力和没有外加力时的介电常数。
图3中图(A)是弛豫材料的K/K0随压力的变化，呈近似的直线，无磁滞效应。图中所代表的样品是混合所需量的氧化铅于理想化学计量比材料后于750℃第二次煅烧形成的样品。同一图中图(B)代表第二次煅烧温度为810℃的材料。这条线的斜率稍小于(A)，表明烧结温度提高对于压力特性产生了作用。曲线(C)代表第二次煅烧温度为830℃的样品，显示出一些不规则的现象，但趋势还是在K/K0和压力之间的曲线斜率有所增加。这表明煅烧温度的升高可能影响了压力特性。使用如下公式计算压力系数 另外，保持压力固定在比如0.1MPa，将样品温度从10℃上升至50℃，从而测量电容的温度系数。在测量弛豫材料的温度特性时，需要记录的数据包括大幅温度升高时的电容变化以及达到最大温度后温度下降时的电容变化，这是为了测定材料的磁滞效应。根据电容数据和介电常数，使用如下公式计算样品的温度系数 根据前述公式，应用电容值和其它材料参数及常数确定介电常数。
图4显示在固定的压力下，比如0.1Mpa，K/K0值随温度的变化。在此，K0是指10℃时的介电常数。图(A)是弛豫材料伴有温度的K/K0变化，并且没有出现任何磁滞效应。图中所代表的样品是混合适量氧化铅于理想化学计量比材料后于750℃第二次煅烧形成的样品。曲线出现负斜率并随温度的升高而降低。这表明在稍高一些的温度下，材料具有更好的温度特性。同一图中图(B)代表第二次煅烧温度为810℃的材料。图中的(B)尽管在所研究的温度范围内仍呈现负值，但斜率变化高于(A)。曲线(C)代表第二次煅烧温度为830℃的样品。与(A)和(B)比较，(C)显示出一些不规则的现象，但仍然能够用作压力传感器。
事实清晰地表明，没有使用任何掺杂材料的制备过程更可能被用于制造具有所需的高压力系数和低温度系数性质的压力传感器。上面所提及的压力和温度的特性行为可以归结为形成钙钛矿相多晶体材料的结晶粒度的增加。使用钨铁酸铅弛豫材料测量压力的作用原理基于这样一个事实，即这些材料随外加压力每单位的变化呈现出很大的改变。换言之，这些材料具有很大的电容压力系数。本材料的另一个特性是具有低的温度系数。这一性质是很理想的，并且是在温度不可避免产生波动的环境中使用的压力传感器应具备的性质。另外，用作压力传感器的材料不应具有记忆效应，也就是磁滞效应。
本发明弛豫材料的新颖性基于它具有低温度系数、高压力系数和低磁滞效应，这是因为将大于1％的铅掺杂到钨铁酸铅母体材料的发明步骤。制备钨铁酸铅[Pb(Fe2/3W1/3)O3-样品缩写-PFW]，其初始氧化物是PbO、Fe2O3和WO3。使用如下公式制备样品PbO+1/3Fe2O3+1/3WO3+X其中，X为过量的PbO(O％，1％，5％；重量百分比)。称取4.4171g的PbO、1.0535g的Fe2O3以及1.5294的WO3，制备7g的PFW样品。
在Coulumbite两步法中X为零。
以下提供的实施例仅仅是解释说明的方式，不应认为是对本发明范围的限制。
实施例1称取适当重量含量的氧化铅、三氧化钨和氧化铁，混合并在丙酮中湿研磨10小时。此混合物再于810℃煅烧2小时。煅烧过的粉体被进一步研磨10小时。然后加入聚乙烯醇作为结合剂，使圆形小体的直径为18mm、厚度为1.5mm。小球再在870℃进一步烧结2小时。烧结后冷却样品，抛光表面，再利用真空蒸发作用在平面上形成银电极。
实施例2实施例1的材料用于压力特性的测量。通过将材料置于恒温槽中，使材料的温度恒定在30℃，浮动范围±0.05℃。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量0.1MPa～415MPa的外加压力。之后计算材料的介电常数，绘制成与压力相对应的图。通过压力变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-500ppm/MPa。
实施例3实施例1的材料用于温度特性的测量。作用于材料的压力恒定在100Mpa。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量材料的温度(在10～50℃范围内变化)，通过将材料置于恒温槽中，使材料的温度的浮动范围保持在±0.05℃。之后计算材料的介电常数，绘成与温度相对应的图。通过温度变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-0.0066/℃。
实施例4称取适当重量含量的氧化铅、三氧化钨和氧化铁，与额外的1％重量百分比PbO混合并在丙酮中湿研磨10小时。此混合物再于810℃煅烧2小时。煅烧过的粉体被进一步研磨10小时。然后加入聚乙烯醇作为结合剂，使圆形小球的直径为18mm、厚度为1.5mm。小球再在870℃进一步烧结2小时。烧结后冷却样品，抛光表面，再利用真空蒸发作用在平面上形成银电极。
实施例5实施例4的材料用于压力特性的测量。通过将材料置于恒温槽中，使材料的温度恒定在30℃，浮动范围±0.05℃。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量0.1MPa～415MPa的外加压力。之后计算材料的介电常数，绘制成与压力相对应的图。通过压力变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为515ppm/MPa。
实施例6实施例4的材料用于温度特性的测量。作用于材料的压力恒定在100Mpa。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量材料的温度(在10～50℃范围内变化)，通过将材料置于恒温槽中，使材料温度的浮动范围保持在±0.05℃。之后计算材料的介电常数，绘制成与温度相对应的图。通过温度变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-0.0069/℃。
实施例7称取适当重量含量的氧化铅、三氧化钨和氧化铁，与额外的5％重量百分比PbO混合并在丙酮中湿研磨10小时。此混合物再于810℃煅烧2小时。煅烧过的粉体被进一步研磨10小时。然后加入聚乙烯醇作为结合剂，使圆形小球的直径为18mm、厚度为1.5mm。小球再在870℃进一步烧结2小时。烧结后冷却样品，抛光表面，再利用真空蒸发作用在平面上形成银电极。
实施例8实施例7的材料用于压力特性的测量。通过将材料置于恒温槽中，使材料的温度恒定在30℃(±0.05℃)。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量0.1MPa～415MPa的外加压力。之后计算材料的介电常数，绘制成与压力相对应的图。通过压力变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为556ppm/MPa。
实施例9
实施例7的材料用于温度特性的测量。作用于材料的压力恒定在0.1Mpa。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量材料的温度(在10～50℃范围内变化)，通过将材料置于恒温槽中，使材料温度的浮动范围保持在±0.05℃。之后计算材料的介电常数，绘制成与温度相对应的图。通过温度变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-0.007/℃。
实施例10称取适当重量含量的湿研磨氧化铁和氧化钨，于1000℃煅烧2小时。与氧化铅混合后，煅烧过的粉体被进一步研磨约10小时。之后混合物于750℃煅烧2小时。煅烧过的粉体被进一步研磨10小时。加入聚乙烯醇作为结合剂，使样品形成圆柱形，再在870℃进一步烧结2小时。烧结后冷却样品，抛光表面，再利用真空蒸发作用在平面上形成银电极。
实施例11实施例10的材料用于压力特性的测量。通过将材料置于恒温槽中，使材料的温度恒定在30℃，浮动范围±0.05℃。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量0.5MPa～415MPa的外加压力。之后计算材料的介电常数，绘制成与压力相对应的图。通过压力变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-497ppm/MPa。
实施例12实施例11的材料用于温度特性的测量。作用于材料的压力恒定在0.1Mpa。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量材料的温度(在10～50℃范围内变化)，通过将材料置于恒温槽中，使材料温度的浮动范围保持在±0.05℃。之后计算材料的介电常数，绘制成与温度相对应的图。通过温度变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-0.0033/℃。
实施例13称取适当重量含量的湿研磨氧化铁和氧化钨，于1000℃煅烧2小时。与氧化铅混合后，煅烧过的粉体被进一步研磨约10小时。之后混合物于810℃煅烧2小时。煅烧过的粉体被进一步研磨10小时。加入聚乙烯醇作为结合剂，使样品形成圆柱形，再在870℃进一步烧结2小时。烧结后冷却样品，抛光表面，再利用真空蒸发作用在平面上形成银电极。
实施例14实施例13的材料用于压力特性的测量。通过将材料置于恒温槽中，使材料的温度恒定在30℃(±0.05℃)。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量0.5MPa～415MPa的外加压力。之后计算材料的介电常数，绘制成与压力相对应的图。通过压力变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-534ppm/MPa。
实施例15实施例13的材料用于温度特性的测量。作用于材料的压力恒定在0.1Mpa。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量材料的温度(在10～50℃范围内变化)，通过将材料置于恒温槽中，使材料温度的浮动范围保持在±0.05℃。之后计算材料的介电常数，绘制成与温度相对应的图。通过温度变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-0.008/℃。
实施例16称取适当重量含量的湿研磨氧化铁和氧化钨，于1000℃煅烧2小时。与氧化铅混合后，煅烧过的粉体被进一步研磨约10小时。之后混合物于830℃煅烧2小时。煅烧过的粉体被进一步研磨10小时。加入聚乙烯醇作为结合剂，使样品形成圆柱形，再在870℃进一步烧结2小时。烧结后冷却样品，抛光表面，再利用真空蒸发作用在平面上形成银电极。
实施例17实施例16的材料用于压力特性的测量。通过将材料置于恒温槽中，使材料的温度恒定在30℃，波动范围在±0.05℃。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量0.1MPa～415MPa的外加压力。之后计算材料的介电常数，绘制成与压力相对应的图。通过压力变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为-622ppm/MPa。
实施例18实施例16的材料用于温度特性的测量。作用于材料的压力恒定在0.1Mpa。钨铁酸铅组成的电容器结构的电容用于测量材料的温度(在10～50℃范围内变化)，通过将材料置于恒温槽中，使材料温度的浮动范围保持在±0.05℃。之后计算材料的介电常数，绘制成与温度相对应的图。通过温度变化时介电常数变化的斜率计算的压力系数为0.007/℃。
本发明的主要优势1.弛豫材料可以在很宽的压力范围内使用。
2.弛豫材料可以在温度变化的环境中使用，因此不必采取附加的温控措施。
3.本材料能够在很宽的温度范围10～50℃内使用。
4.电容传感器能够在很宽的范围内0.5MPa～415MPa测量压力，且精确度为整个范围的±0.05％。
权利要求
1.一种钨铁酸铅电容压力传感器，它包含一个具有抛光的第一层平面和抛光的第二层平面的圆盘，上述抛光的第一层平面完全被覆金属电极，抛光的第二层平面也被覆金属电极，抛光的第二层平面上的上述金属电极包含几个被覆成形的圆形部分，其中包括一个中心部分、一个同心的被覆的环形部分、一个将前述二者分开的清晰的同心的环形区域；在抛光的第一层平面的金属电极、抛光的第二层平面的被覆的中心部分的金属电极、及抛光的第二层平面的被覆的同心环形部分的金属电极上固定有金属导线。
2.如权利要求1所述的电容压力传感器，其中的金属电极自银、铝和金组成的一组成分中选择。
3.如权利要求1所述的电容压力传感器，其中的金属电极的厚度在1000-2000范围内。
4.如权利要求1所述的电容压力传感器，其中的同心环区域的宽度在10-50λ范围内。
5.如权利要求1所述的电容压力传感器，其中的金属丝是金丝或银丝。
6.如权利要求1所述的电容压力传感器，其中的金属丝的纯度至少是99.99％。
7.如权利要求1所述的电容压力传感器，其中的金属电极是利用真空蒸发作用淀积而成。
8.如权利要求7所述的电容压力传感器，其中的金属电极是利用热蒸发作用淀积而成。
9.如权利要求1所述的电容压力传感器，其用于压力测量的范围在0.5MPa～415Mpa。
10.如权利要求1所述的压力传感器，其中的压力传感器的精确度是整个范围的±0.05％。
11.如权利要求1所述的传感器压力系数的绝对值在497ppm/MPa～622ppm/Mpa范围内。
12.如权利要求1所述的传感器温度系数在-0.006/℃～0.008/℃范围内。
13.如权利要求1所述的传感器的磁滞效应可以忽略。
14.用于制造电容传感器的钨铁酸铅弛豫材料，其含有非掺杂型的化学计量式为Pb(Fe2/3W1/3)O3的物质。
15.如权利要求14所述的钨铁酸铅弛豫材料，其掺杂有1％重量百分比的铅。
16.如权利要求14所述的钨铁酸铅弛豫材料，其掺杂有5％重量百分比的铅。
17.弛豫制备用于制造钨铁酸铅电容传感器的弛豫材料的方法，所述方法包括称取并混合适当重量含量的湿法研磨的氧化铁、氧化钨和氧化铅，使产生非掺杂型的化学计量比为Pb(Fe2/3W1/3)O3的最终材料，再进行固态烧结。
18.如权利要求17所述的方法，其中的初始材料的纯度至少为99.9％。
19.如权利要求17所述的方法，其中使用过量的PbO以获得自掺杂的可化学计量的弛豫材料。
20.如权利要求19所述的方法，其中的掺杂是通过在最初的混合物中加入过量的PbO的盐并湿法研磨以获得均化的材料。
21.如权利要求20所述的方法，其中的湿研磨材料在不低于800℃的温度下煅烧2小时。
22.如权利要求21所述的方法，其中煅烧过的材料进一步研磨约10小时以确保混合的和相互反应的成分完全均化。
23.如权利要求17所述的方法，其中结合剂被加入到均化的粉末体中。
24.如权利要求23所述的方法，其中结合剂包括聚乙烯醇。
25.制备钨铁酸铅弛豫材料的两步煅烧过程，包括将适当重量含量的湿法研磨氧化铁、氧化钨混合物在约1000℃煅烧2小时，混入氧化铅后再将煅烧过的材料进一步研磨约10小时从而生产出化学计量比为Pb(Fe2/3W1/3)O3的最终产品。
26.如权利要求25所述的方法，其中初始材料的纯度至少为99.9％。
27.如权利要求25所述的方法，其中使用过量的PbO以获得自掺杂的可化学计量的弛豫材料。
28.如权利要求27所述的方法，其中的掺杂是通过在最初的混合物中加入过量的PbO盐并湿法研磨以获得均化的材料。
29.如权利要求25所述的方法，其中的结合剂被加入到均化的粉末体中。
30.如权利要求29所述的方法，其中的结合剂包括聚乙烯醇。
全文摘要
本发明披露的弛豫材料钨铁酸铅是经一步或两步加热处理，在掺杂或非掺杂条件下合成的。本弛豫材料的磁滞效应几乎可以忽略，用它制造的传感器在很宽的范围内0.5MPa～415MPa具有测量压力的能力，其准确度为±0.05％。
文档编号G01L9/00GK1628243SQ02828671
公开日2005年6月15日 申请日期2002年3月28日 优先权日2002年3月28日
发明者卡姆莱诗·库马尔·贾因, 维贾雅·库马尔, 萨伯汗·沙纳德·抹滕 申请人:科学与工业研究委员会, 印度技术研究院