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10/22/20232

三、信號處理電路設(shè)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(jié)果分析

六、總結(jié)與展望

一、傳感器的設(shè)計

二、厚膜電容式微位移傳感器的研制變間隙式電容傳感器原理及結(jié)構(gòu)示意圖厚膜電容式微位移傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖10/22/20233微位移傳感器的芯片與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計電容芯片示意圖10/22/20234傳感器外觀示意圖傳感器電容芯片的電極示意圖10/22/20235理論仿真分析PZT驅(qū)動10/22/20236結(jié)構(gòu)設(shè)計及其優(yōu)化10/22/20237設(shè)計圖（部分節(jié)選）電容芯片的電極版圖（部分節(jié)選）10/22/20238二、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(biāo)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(shè)計厚膜電容芯片制作及分選絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)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(shè)計、電容量控制10/22/20239傳感器工藝研究

工藝條件對傳感器性能的影響分析；兩電極之間的間隙δ；電極面積；結(jié)構(gòu)材料、電極材料；

電容電極間填隙材料的選擇；

印刷、燒結(jié)工藝的控制及優(yōu)化：10/22/202310（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(qū)動后，式中：ε0=0.0885 pF/cm——真空介電常數(shù)；εr——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)10/22/202311極板間距δ的計算極板間距受工作電場強度的限制，同時需要兼顧傳感器的靈敏度、線性度以及量程等因素，其一般計算式為：式中，Vw：工作電壓（V）；Et：電容的測試電場強度；

Ebcp：介質(zhì)的平均瞬時耐壓強度；

k1：測試電場強度時的耐壓安全系數(shù)，≥2；k2：工作場強時的耐壓安全系數(shù)，1.5～310/22/202312（2）電極面積（電極直徑）其中：D－電極直徑(cm)，ε為介電常數(shù)，δ為電極之間的間距(cm)10/22/202313

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(dǎo)體漿料印刷、燒結(jié)而成，導(dǎo)電性能優(yōu)良而且其熱膨脹系數(shù)低、溫度系數(shù)??；10/22/202314（3）結(jié)構(gòu)材料、電極材料傳感器工藝條件與傳感器性能間關(guān)系10/22/202315

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(jié)構(gòu)、尺寸、工藝）；電容芯片的厚膜印燒工藝流程瓷件清洗烘干絲網(wǎng)制作印刷

介質(zhì)漿料烘干（慢烘）燒結(jié)（~850℃）燒結(jié)（~550℃）性能標(biāo)定金屬化引線涂孔印刷

導(dǎo)體漿料烘干（慢烘）10/22/202316厚膜隧道燒結(jié)爐10/22/202317半自動厚膜平面印刷機HSL-3600六溫區(qū)隧道燒結(jié)爐HZL-250紅外再流焊爐主要厚膜工藝設(shè)備三、信號處理電路設(shè)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(shè)計；電路設(shè)計基本原理和架構(gòu)10/22/202318容轉(zhuǎn)壓專用芯片10/22/202319CAV414

是一款多用途處理電容式傳感器信號的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電壓輸出接口電路；CAV414容轉(zhuǎn)壓芯片工作原理圖10/22/202320電路原理圖10/22/202321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(dāng)時采用的容轉(zhuǎn)壓芯片

XE-2004現(xiàn)已停產(chǎn)。10/22/202322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(zhuǎn)壓芯片，性能較好。10/22/202323信號處理電路（2010版）

右圖為09版信號處理電路實物照片，采用厚膜工藝實現(xiàn)信號處理電路與電容芯片的一體化集成，性能優(yōu)異。10/22/202324四、微位移傳感器性能優(yōu)化

邊緣效應(yīng)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(shè)計傳感器

非線性誤差10/22/202325傳感器的非線性分析與補償10/22/202326傳感器非線性產(chǎn)生的主要原因：邊緣效應(yīng);寄生電容；溫、濕度的干擾；邊緣效應(yīng)引起的非線性

當(dāng)極板厚度t和間隙δ之比相對較大時，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略;

邊緣電場將發(fā)生畸變，使工作不穩(wěn)定，非線性誤差增加。10/22/202327邊緣效應(yīng)造成傳感器邊緣電場畸變，使工作不穩(wěn)定，非線性誤差增加其中；

為邊緣效應(yīng)因子；h為極板厚度；

δ為間隙10/22/202328克服邊緣效應(yīng)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(shè)計保護環(huán)電路，消除邊緣效應(yīng)：在上電極增加參考電極10/22/202329邊緣效應(yīng)的消除方法增設(shè)補償電容：在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,采用帶有補償電容(保護環(huán))的結(jié)構(gòu)，為消除邊緣效應(yīng)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。10/22/202330寄生電容干擾的排除10/22/202331傳感器電容芯片的初始容量?。s20pF）：對寄生電容干擾敏感；易導(dǎo)致傳感器不穩(wěn)定；排除辦法：引線加粗、變短；有效接地和屏蔽；電路板的設(shè)計、布線及其優(yōu)化；提高傳感器的溫/濕度穩(wěn)定性10/22/202332溫度和濕度改變時，會導(dǎo)致傳感器特性的漂移；選用溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)材料；上蓋板和彈性膜片由96%Al2O3陶瓷構(gòu)成，熱膨脹系數(shù)低、溫度系數(shù)低；測量、參考電極分別采用Pd-Ag導(dǎo)體漿料印刷、燒結(jié)紹而成，熱膨脹系數(shù)低、溫度系數(shù)低，導(dǎo)電性能優(yōu)良；增大傳感器的輸出；引線設(shè)計粗短，克服寄生、分布電容引起的干擾和不穩(wěn)定。處理電路的厚膜集成化10/22/202333PCB

電路板通過插針與傳感器連接，接出線長，極易產(chǎn)生寄生電容等干擾；采用厚膜集成技術(shù)，不用

PCB

電路板，將放大信號處理電路、電容數(shù)字轉(zhuǎn)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；五、微位移傳感器性能檢測與結(jié)果分析10/22/202334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(biāo)定（

PInanoposition/scanning

stages，P-517.3CD）小撓度形變下，在實驗室中用浮球壓力計產(chǎn)生空氣壓力模

擬PZT陶瓷驅(qū)動產(chǎn)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(biāo)定和測試。10/22/202335

智能所：浮球壓力計模擬微位移測量法微納操作平臺傳感器

沈陽自動化所PI納米操作臺標(biāo)定工作原理10/22/202336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(chǎn)生形變，根據(jù)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(chǎn)生的微小位移量變化。已取得的成果10/22/202337

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(xiàn)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。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10/22/202338不同階段的厚膜電容傳感器2008型傳感器隨XE2004芯片停產(chǎn)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10/22/202339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(biāo)定結(jié)果（部分節(jié)選）10/22/202340量程:0~

100nm;ΔS

=

20nm；非線性:<4%量程:0~

50nm;ΔS

=

10nm；非線性:<7%10/22/2023412010型標(biāo)定結(jié)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%10/22/202342量程:0~

50nm;ΔS

=

5nm；非線性:<2%量程:0~

20nm;ΔS

=

2nm非線性:<4.5%10/22/202343傳感器的總體評價10/22/202344動態(tài)響應(yīng)速度快（≈80Hz）；功耗?。ā?0mW）；靈敏度高、分辨率高（1~2nm）；結(jié)構(gòu)簡單；穩(wěn)定性高；六、總結(jié)與展望10/22/202345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(yīng)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(xiàn)電容芯片與信號處理電路的一體化集成。限于經(jīng)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(guān)力學(xué)分析及理論研究等科學(xué)問題；

傳感器的穩(wěn)定性尚待提高；

應(yīng)用前景的拓展；10/22/202346未來展望10/22/202347深化相關(guān)力學(xué)分析及理論研究等科學(xué)問題研究；進一步探討微位移測量涉及的力學(xué)及特征信息的提取研究；深入開展同微納操作PZT驅(qū)動平臺的對接試驗；分辨率、精度及其相關(guān)結(jié)構(gòu)和工藝因素的研究，提高分辨率、精度；理論推導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(guān)系；開拓新的應(yīng)用出口，推進科技成果轉(zhuǎn)化。致

謝10/2