一種基于厚膜陶瓷電容的微位移傳感器課件

一種基于厚膜陶瓷電容的微位移傳感器高理升馬以武中科院合肥智能所

2010.11.12提要一、傳感器的設計二、厚膜電容式微位移傳感器的研制三、信號處理電路設計與優(yōu)化四、微位移傳感器性能優(yōu)化五、微位移傳感器性能檢測與結果分析六、總結與展望一、傳感器的設計4/2/20232變間隙式電容傳感器原理及結構示意圖厚膜電容式微位移傳感器剖面結構示意圖4/2/20233傳感器電容芯片的電極示意圖

4/2/20235理論仿真分析PZT驅動4/2/20236結構設計及其優(yōu)化

設計圖（部分節(jié)選）4/2/20237二、厚膜電容式微位移傳感器的研制總體工藝流程陶瓷彈性膜片、蓋板選型傳感器標定與性能測試厚膜電容式微位移傳感器電路優(yōu)化與集成化研究電容小信號處理電路設計厚膜電容芯片制作及分選絲網印刷、燒結工藝研究電極漿料、密封漿料遴選理論分析、有限元仿真版圖設計、電容量控制4/2/20239傳感器工藝研究

工藝條件對傳感器性能的影響分析；（1）兩電極之間的間隙δ；（2）電極面積；（3）結構材料、電極材料；電容電極間填隙材料的選擇；印刷、燒結工藝的控制及優(yōu)化：4/2/202310（1）兩電極初始間隙（δ）電極半徑為r,上下電極初始間隙為δ0的電容傳感器，其初始電容量C0為

受到PZT驅動后，式中：ε0=0.0885pF/cm——真空介電常數；εr——極板間介質的相對介電常數4/2/202311（2）電極面積（電極直徑）

其中：D－電極直徑(cm)，

ε為介電常數，

δ為電極之間的間距(cm)4/2/202313電容芯片包括陶瓷蓋板（厚）和彈性膜片，均選用96%Al2O3陶瓷材料；電容芯片的上下電極由（Pd-Ag）導體漿料印刷、燒結而成，導電性能優(yōu)良而且其熱膨脹系數低、溫度系數??；（3）結構材料、電極材料

4/2/202314傳感器工藝條件與傳感器性能間關系提高分辨率和靈敏度：減小間隙δ、彈性膜片的厚度；線性：彈性膜片的平整度、傳感器輸出等工藝因素；規(guī)律（結構、尺寸、工藝）；4/2/202315厚膜隧道燒結爐

半自動厚膜平面印刷機

HSL-3600六溫區(qū)隧道燒結爐HZL-250紅外再流焊爐主要厚膜工藝設備4/2/202317三、信號處理電路設計與優(yōu)化電容芯片的輸出容量小，只有幾皮法或幾十皮法，必須放大處理；高增益、低噪聲放大電路設計；電路設計基本原理和架構4/2/202318容轉壓專用芯片

CAV414是一款多用途處理電容式傳感器信號的轉換接口集成電路：

CAV414能夠檢測一個被測電容和參考電容的差值；可以檢測從10pF到2nF的電容值，輸出0~5V電壓，滿足本項目使用要求；便于使用，僅需很少幾個外接元件即可與CAV414組成多種用途的電容式信號轉換電壓輸出接口電路；4/2/202319電路原理圖4/2/202321信號處理電路（2008版）

右圖為08版信號處理電路實物照片，采用雙面布線，較厚；當時采用的容轉壓芯片XE-2004現已停產。4/2/202322信號處理電路（2009版）

右圖為09版信號處理電路實物照片，采用CAV414容轉壓芯片，性能較好。4/2/202323四、微位移傳感器性能優(yōu)化邊緣效應的消除；寄生電容干擾的排除；溫度穩(wěn)定性的提高；信號處理電路優(yōu)化設計傳感器非線性誤差4/2/202325傳感器的非線性分析與補償傳感器非線性產生的主要原因：邊緣效應;寄生電容；溫、濕度的干擾；4/2/202326克服邊緣效應造成傳感器邊緣電場畸變；增加性能穩(wěn)定性，減小非線性誤差。設計保護環(huán)電路，消除邊緣效應：在上電極增加參考電極4/2/202329邊緣效應的消除方法增設補償電容：在結構設計時,采用帶有補償電容(保護環(huán))的結構，為消除邊緣效應的影響，；補償電容與測量電容同心，電氣上絕緣，且間隙越小越好；補償電容始終保持等電位，以保證測量電容（中間工作區(qū)）始終得到均勻的電場分布。4/2/202330寄生電容干擾的排除

傳感器電容芯片的初始容量?。s20pF）：對寄生電容干擾敏感；易導致傳感器不穩(wěn)定；排除辦法：（1）引線加粗、變短；（2）有效接地和屏蔽；（3）電路板的設計、布線及其優(yōu)化；4/2/202331提高傳感器的溫/濕度穩(wěn)定性溫度和濕度改變時，會導致傳感器特性的漂移；選用溫度系數小、性能穩(wěn)定的結構材料；上蓋板和彈性膜片由96%Al2O3陶瓷構成，熱膨脹系數低、溫度系數低；測量、參考電極分別采用Pd-Ag導體漿料印刷、燒結紹而成，熱膨脹系數低、溫度系數低，導電性能優(yōu)良；增大傳感器的輸出；引線設計粗短，克服寄生、分布電容引起的干擾和不穩(wěn)定。

4/2/202332處理電路的厚膜集成化

PCB電路板通過插針與傳感器連接，接出線長，極易產生寄生電容等干擾；采用厚膜集成技術，不用PCB電路板，將放大信號處理電路、電容數字轉換芯片、補償電路直接印燒在陶瓷蓋板上；接線短，減小引線帶來的寄生電容干擾，顯著提高抗干擾能力，性能穩(wěn)定；4/2/202333五、微位移傳感器性能檢測與結果分析實驗室檢測方法：合肥智能所：浮球壓力計等效模擬微位移測量法；沈陽自動化所：PI納米操作臺標定（PInanoposition/scanningstages，P-517.3CD）4/2/202334

小撓度形變下，在實驗室中用浮球壓力計產生空氣壓力模擬PZT陶瓷驅動產生微小位移量，對制作的厚膜電容式微位移傳感器進行分選，挑選合適的傳感器樣品封裝后裝配到微納操作平臺上進行標定和測試。智能所：浮球壓力計模擬微位移測量法4/2/202335微納操作平臺傳感器

沈陽自動化所PI納米操作臺標定工作原理傳感器被固定在微納操作平臺上，彈性膜片與PZT陶瓷剛性連接，PZT陶瓷受激后使彈性膜片產生形變，根據傳感器信號處理電路反饋的電壓信號即可測量PZT陶瓷受激產生的微小位移量變化。4/2/202336已取得的成果

厚膜電容芯片及傳感器制作工藝逐漸成熟；信號處理電路不斷優(yōu)化，實現厚膜一體化集成；傳感器性能得到顯著提高，能分辨并感知1~2nm微小位移量變化。4/2/202337不同時期的厚膜電容芯片普通的厚膜陶瓷電容芯片帶厚膜集成電路的電容芯片4/2/202338不同階段的厚膜電容傳感器2008型傳感器隨XE2004芯片停產而擱淺2009型傳感器環(huán)氧樹脂電路板溫度性能差2010型傳感器電容芯片與電路一體化集成4/2/202339量程:0~2000nm;ΔS=400nm；非線性:<1.5%量程:0~250nm;ΔS=50nm；非線性:<3.5%2008年標定結果（部分節(jié)選）4/2/202340量程:0~100nm;ΔS=20nm；非線性:<4%量程:0~50nm;ΔS=10nm；非線性:<7%4/2/2023412010型標定結果（部分節(jié)選）量程:0~200nm;ΔS=20nm非線性:<0.1%量程:0~100nm;ΔS=10nm；非線性:<0.1%4/2/202342量程:0~50nm;ΔS=5nm；非線性:<2%量程:0~20nm;ΔS=2nm非線性:<4.5%4/2/202343傳感器的總體評價動態(tài)響應速度快（≈80Hz）；功耗?。ā?0mW）；靈敏度高、分辨率高（1~2nm）；結構簡單；穩(wěn)定性高；4/2/202344六、總結與展望開展基于厚膜電容傳感原理的納米級位移測量的特征信息提取方法研究，研制了一種厚膜陶瓷電容式微位移傳感器，分辨率可達1~2nm

；適應微納環(huán)境下機器人化操作需求，開展傳感器可靠性和小型化研究，采用厚膜工藝實現電容芯片與信號處理電路的一體化集成。4/2/202345限于經費、測試手段、時間等因素，和國外相比還有一定差距：分辨率能否進一步提高國外報道0.1納米（德國米依、PI）；處理電路仍有進一步優(yōu)化的空間；相關力學分析及理論研究等科學問題；傳感器的穩(wěn)定性尚待提高；應用前景的拓展；4/2/202346

未來展望深化相關力學分析及理論研究等科學問題研究；進一步探討微位移測量涉及的力學及特征信息的提取研究；深入開展同微納操作PZT驅動平臺的對接試驗；分辨率、精度及其相關結構和工藝因素的研究，提高分辨率、精度；理論推導周邊固支圓板在分布載荷、作用于圓心的集中力或位移等；優(yōu)化結構和工藝，提高分辨率和精度，尤其膜片的變形、電容值等與載荷的關系；開拓新的應用出口，推進科技成果轉化。4/2/202347致謝本報告展示的工作得到了國家自然科學基金重點項目“納米環(huán)境中