基于pdms壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器。包括密閉的耐蝕殼體、以及安裝在耐蝕殼體內(nèi)的PDMS壓阻傳感單元和不銹鋼電容傳感單元。耐蝕殼體由中空的螺栓頭、不銹鋼隔膜、封蓋、螺母依次裝配而成；PDMS壓阻傳感單元由絕緣膜、PDMS壓阻層和下表面具有檢測電極的惰性橡膠上電極襯底組成；不銹鋼電容傳感單元由中心開孔的不銹鋼薄膜極板和后盾基板組成。本發(fā)明集合了壓阻式和電容式兩種力敏感單元，有效實現(xiàn)靜態(tài)力和瞬態(tài)力的二階量測量，提高測量效率和精度；選用SS316不銹鋼作為傳感器耐蝕殼體，其優(yōu)良的強耐腐蝕性等特點滿足了傳感器在腐蝕性氣體及液體下的壓力測量要求。
【專利說明】基于PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其是涉及一種基于PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]壓力監(jiān)控是一個應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域，在化工自動化、航空航天以及汽車工業(yè)中都有很重要的應(yīng)用。壓力傳感器可以用來檢測氣缸的漏氣，輪胎內(nèi)壓力，引擎內(nèi)壓力差、表面的溫度差以及油壓等。應(yīng)用于這些領(lǐng)域的壓力傳感器不僅對于靜態(tài)力和瞬態(tài)力等壓力測量類型有明確的要求，而且往往工作在極度苛刻的環(huán)境下，需要有抗高溫、耐腐蝕的能力。
[0003]目前常用的壓力傳感器包括壓阻式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器等。其中壓阻式傳感器是基于壓阻效應(yīng)制造的傳感器，其特點在于加工簡單，信號易于測量，尤其適合于靜態(tài)力的測量；電容式傳感器其特點是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快，但是由于電荷泄漏難于避免，不適宜靜態(tài)力的測量，但在瞬態(tài)力測量方面優(yōu)勢明顯；壓電式傳感器基于壓電效應(yīng)制造的傳感器，特點是體積小，動態(tài)響應(yīng)快，但是也存在電荷泄漏，不適宜靜態(tài)力的測量，且橫向承載力較弱，并不適于惡劣環(huán)境下的壓力檢測。實現(xiàn)靜態(tài)力和瞬態(tài)力的同時測量對于壓力監(jiān)控領(lǐng)域具有重要的科研價值和工程意義。
[0004]在化工自動化、航空航天等需要壓力監(jiān)控的領(lǐng)域，其工作環(huán)境往往非常惡劣，工作于這類環(huán)境下的壓力傳感器均需具備抗高溫、耐腐蝕的能力，同時也要秉持高穩(wěn)定、高可靠、低功耗、動態(tài)測試等的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]基于PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器，由耐蝕殼體、安裝在耐蝕殼體內(nèi)的PDMS壓阻傳感單元和不銹鋼電容傳感單元組合而成，其中:
[0008]I)耐蝕殼體包括中空的螺栓頭、不銹鋼隔膜、封蓋和螺母依次裝配成一個密閉的腔體；
[0009]2)PDMS壓阻傳感單元實現(xiàn)靜態(tài)力的測量，從下至上依次由絕緣膜、PDMS壓阻層和下表面具有檢測電極的惰性橡膠上電極襯底組成；PDMS壓阻傳感單元的絕緣膜安裝在耐蝕殼體的不銹鋼隔膜上；
[0010]3)不銹鋼電容傳感單元實現(xiàn)瞬態(tài)力的測量，從下至上依次由中心開孔的不銹鋼薄膜極板和后盾基板組成；不銹鋼電容傳感單元的不銹鋼薄膜極板安裝在PDMS壓阻傳感單元的惰性橡膠上電極襯底上，耐蝕殼體的封蓋下底面安裝在不銹鋼電容傳感單元的后盾基板上。
[0011]PDMS壓阻層中心具有四片PDMS力敏感構(gòu)件，均呈75°的扇形，圍成一個直徑為3mm的圓環(huán)；四片PDMS力敏感構(gòu)件為并聯(lián)結(jié)構(gòu)且通過電氣回路相互連接；惰性橡膠上電極襯底下表面檢測電極的中心輸入端Ttl和四周的輸出端T1?T4的電路與四片PDMS力敏感構(gòu)件構(gòu)成四個壓阻單元，其阻值分別表示為Rp R2、R3、R4，形成并聯(lián)回路，力敏感構(gòu)件呈扇形分布，可有效緩解壓力作用不均勻?qū)е碌臏y量偏差。
[0012]中心開孔的不銹鋼薄膜極板作為不銹鋼電容傳感單元的下極板，直徑為10_，薄膜極板厚度為100 μ m,中心開孔直徑為5mm,中心開孔的深度為20 μ m。后盾基板作為不銹鋼電容傳感單元的上極板，由在超高硬度的碳化鎢襯底下表面涂覆絕緣層加工而成，絕緣層朝向中心開孔的不銹鋼薄膜極板一側(cè)。
[0013]電容傳感單元分為非接觸式測量和接觸式測量兩個階段，當壓力值不大時，不銹鋼薄膜不會接觸到后盾基板，為非接觸式測量；當壓力值增大使得不銹鋼薄膜接觸到后盾基板后，傳感單元進入接觸式測量階段，該方法有效提高壓力測量范圍。
[0014]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0015]I)采用PDMS和不銹鋼材料設(shè)計了耐蝕壓力傳感器，集合了壓阻式和電容式兩種力敏感單元，有效實現(xiàn)靜態(tài)力和瞬態(tài)力的二階量測量，提高測量效率和精度。
[0016]2)選用SS316不銹鋼作為傳感器殼體，其優(yōu)良的固態(tài)應(yīng)變、動態(tài)性能、強耐腐蝕性等特點滿足了傳感器在腐蝕性氣體及液體下的壓力測量要求，可廣泛應(yīng)用于航空航天、化工自動化控制等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明耐蝕殼體三維分解圖。
[0019]圖3是本發(fā)明PDMS壓阻傳感單元分層示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明PDMS壓阻層二維平面圖。
[0021]圖5是本發(fā)明PDMS壓阻傳感單元惰性橡膠上電極襯底仰視圖。
[0022]圖6是本發(fā)明不銹鋼電容傳感單元分層示意圖。
[0023]圖7是本發(fā)明不銹鋼電容傳感單元剖面圖。
[0024]圖8是本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)爆炸圖。
[0025]圖9是本發(fā)明傳感器裝配示意圖。
[0026]圖中:1、耐蝕殼體，2、PDMS壓阻傳感單元，3、不銹鋼電容傳感單元，4、中空的螺栓頭，5、不銹鋼隔膜，6、封蓋，7、螺母，8、絕緣膜，9、PDMS壓阻層，10、惰性橡膠上電極襯底，11、電氣回路，12、PDMS力敏感構(gòu)件，13、檢測電極，14、不銹鋼薄膜極板，15、后盾基板，16、絕緣層，17、碳化鎢襯底。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0028]如圖1、圖2、圖8、圖9所示，該傳感器由耐蝕殼體I，安裝在耐蝕殼體I內(nèi)的PDMS壓阻傳感單元2和不銹鋼電容傳感單元3組合而成，其中:
[0029]耐蝕殼體1:包括中空的螺栓頭4、不銹鋼隔膜5、封蓋6和螺母7依次裝配成一個密閉的腔體，裝配完成后形成一個密閉的腔體，將PDMS壓阻傳感單元2和不銹鋼電容傳感單元3從腐蝕性液體或氣體環(huán)境中隔離。[0030]如圖3、圖4、圖5所示，PDMS壓阻傳感單元2:從下至上依次由絕緣膜8、PDMS壓阻層9和下表面具有檢測電極13的惰性橡膠上電極襯底10組成；PDMS壓阻傳感單元2的絕緣膜8安裝在耐蝕殼體I的不銹鋼隔膜5上；選用PDMS材料制造壓阻層和選用惰性橡膠作為電極襯底的目的均在于提高壓阻傳感單元的柔韌性、穩(wěn)定性，從而使傳感器更適應(yīng)于高溫、高壓、高振動的測量環(huán)境。
[0031]如圖6、圖7所示，不銹鋼電容傳感單元3:從下至上依次由中心開孔的不銹鋼薄膜極板14和后盾基板15組成；不銹鋼電容傳感單元3的不銹鋼薄膜極板14安裝在PDMS壓阻傳感單元2的惰性橡膠上電極襯底10上，耐蝕殼體I的封蓋6下底面安裝在不銹鋼電容傳感單元3的后盾基板15上。
[0032]如圖4、圖5所示，所述PDMS壓阻層9中心具有四片PDMS力敏感構(gòu)件12，均呈75°的扇形，圍成一個直徑為3mm的圓環(huán)；四片PDMS力敏感構(gòu)件12為并聯(lián)結(jié)構(gòu)且通過電氣回路11相互連接；惰性橡膠上電極襯底10下表面檢測電極13的中心輸入端Ttl和四周的輸出端T1~T4的電路與四片PDMS力敏感構(gòu)件12構(gòu)成四個壓阻單元，其阻值分別表示為札、R2、R3、R4,形成并聯(lián)回路，力敏感構(gòu)件12呈扇形分布，可有效緩解壓力作用不均勻?qū)е碌臏y量偏差；四個壓阻單元的阻值可直接測量得到。 [0033]如圖6、圖7所示，所述中心開孔的不銹鋼薄膜極板14作為不銹鋼電容傳感單元3的下極板，采用SS316不銹鋼加工,直徑為IOmm,不銹鋼薄膜極板14厚度為100 μ m,中心開孔直徑為5mm,中心開孔的深度為20 μ m。
[0034]如圖6、圖7所示，所述后盾基板15作為不銹鋼電容傳感單元3的上極板，由在超高硬度的碳化鎢襯底17下表面涂覆絕緣層16加工而成，絕緣層16朝向中心開孔的不銹鋼薄膜極板14 一側(cè)。選用超高硬度的碳化鎢材料可減小干擾壓力產(chǎn)生的不銹鋼電容傳感單元3變形，提高測量精度。不銹鋼電容傳感單元3分為非接觸式測量和接觸式測量兩個階段，當壓力值不大時，不銹鋼薄膜極板14不會接觸到后盾基板，為非接觸式測量；當壓力值增大使得不銹鋼薄膜極板14接觸到后盾基板后，不銹鋼電容傳感單元3進入接觸式測量階段，該方法有效提高壓力測量范圍。
[0035]本發(fā)明的工作原理是:
[0036]PDMS壓阻傳感單元2實現(xiàn)靜態(tài)力的測量，假設(shè)PDMS為理想材料，則靜態(tài)壓力Ps作用引起的四組壓阻單元電阻量變化可表示為:
[0037]AR1 = IcpsR1 (I)
[0038]AR2 = kpsR2 (2)
[0039]Δ R3 = kpsR3 (3)
[0040]Δ R4 = kpsR4 (4)
[0041]其中k為壓阻單元電阻系數(shù)。
[0042]因傳感器設(shè)計采用電極T1~T4成對稱結(jié)構(gòu)排布，因此由四個電極的對稱性可得:
I ARl AR, AR, ARΛ
_3]私v5)
,1z34
[0044]不銹鋼電容傳感單元3實現(xiàn)瞬態(tài)力的測量，分為非接觸式測量和接觸式測量兩個階段，當壓力值不大時，不銹鋼薄膜極板14不會接觸到后盾基板，為非接觸式測量。當不銹鋼電容傳感單元3處于這個階段時，不銹鋼薄膜極板14的變形量如下式所示:[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種基于PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器，其特征在于:該傳感器由耐蝕殼體(I)，安裝在耐蝕殼體(I)內(nèi)的PDMS壓阻傳感單元(2)和不銹鋼電容傳感單元(3)組合而成；其中: 1)耐蝕殼體(I):包括中空的螺栓頭(4)、不銹鋼隔膜(5)、封蓋(6)和螺母(7)依次裝配成一個密閉的腔體； 2)PDMS壓阻傳感單元(2):從下至上依次由絕緣膜(8)、H)MS壓阻層(9)和下表面具有檢測電極(13)的惰性橡膠上電極襯底(10)組成；PDMS壓阻傳感單元⑵的絕緣膜(8)安裝在耐蝕殼體(I)的不銹鋼隔膜(5)上； 3)不銹鋼電容傳感單元(3):從下至上依次由中心開孔的不銹鋼薄膜極板(14)和后盾基板(15)組成；不銹鋼電容傳感單元(3)的不銹鋼薄膜極板(14)安裝在PDMS壓阻傳感單元(2)的惰性橡膠上電極襯底(10)上，耐蝕殼體(I)的封蓋(6)下底面安裝在不銹鋼電容傳感單元(3)的后盾基板(15)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器，其特征在于:所述PDMS壓阻層(9)中心具有四片PDMS力敏感構(gòu)件(12)，均呈75°的扇形，圍成一個直徑為3 mm的圓環(huán)；四片PDMS力敏感構(gòu)件(12)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)且通過電氣回路(11)相互連接；惰性橡膠上電極襯底(10)下表面檢測電極(13)的中心輸入端Tci和四周的輸出端T1I4的電路與四片PDMS力敏感構(gòu)件(12)構(gòu)成四個壓阻單元，形成并聯(lián)回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器，其特征在于:所述中心開孔的不銹鋼薄膜極板(14)作為不銹鋼電容傳感單元(3)的下極板，直徑為IOmm,薄膜極板厚度為100 μ m,中心開孔直徑為5mm,中心開孔的深度為20 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種PDMS壓阻和不銹鋼電容的耐蝕壓力傳感器，其特征在于:所述后盾基板(15)作為不銹鋼電容傳感單元(3)的上極板，由在超高硬度的碳化鎢襯底(17)下表面涂覆絕緣層(16)加工而成，絕緣層(16)朝向中心開孔的不銹鋼薄膜極板(14)一側(cè)。
【文檔編號】G01L1/18GK103968975SQ201410193040
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】余建平, 張玉良, 鄧小雷, 李欣, 周兆忠 申請人:衢州學(xué)院