陶瓷電容壓力傳感器的特點及典型應用說明

常用壓力傳感器技術類型

壓力傳感器一般用于對傳感器敏感器件所處氣體或液體氛圍的壓力測量，一般用于反饋給系統主控單元，實現系統精確控制。壓力傳感器作為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于材料種類、摻雜濃度和晶體的晶向等因素。該技術可以采用半導體工藝實現，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。常見于中低壓量程范圍，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。

陶瓷電阻技術采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為電壓信號。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。

玻璃微熔技術采用高溫燒結工藝，將硅應變計與不銹鋼結構結合。硅應變計等效的四個電阻組成惠斯通電橋，當不銹鋼膜片的另一側有介質壓力時，不銹鋼膜片產生微小形變引起電橋變化，形成正比于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，一般適用于高壓和超高壓量程，如10MPa~200MPa，應用較為受限。

陶瓷電容技術采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后輸出給后級使用。陶瓷電容技術具有成本適中，量程范圍寬，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于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為代表。由于電容信號不同于電阻信號，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，國內目前僅蘇州納芯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為密封表壓結構，由陶瓷基座和可變形膜片及中空密封腔體三部分組成，承壓面為可變形膜片，當芯體承壓發生變化時，變形膜承壓后發生彎曲，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為標準輸出（如0~5V電壓輸出、4~20mA電流輸出、I2C、SPI數字輸出等）。

圖1：陶瓷電容壓力傳感器承壓前截面圖

圖2：陶瓷電容壓力傳感器承壓后截面圖

典型陶瓷電容壓力傳感器密封結構

為保證氣密性，在陶瓷電容壓力傳感器的產品設計種，選用O型圈或者墊片作為密封的關鍵部件，其中O型圈更為常見。因為O型圈具備優良的線性密封特性，承壓范圍寬于墊片（墊片一般推薦用于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、工作溫度范圍等因素綜合考慮后選型。

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。

圖3：典型O型圈材料的使用溫度范圍（source：Parker）