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一般來說,汽車空調壓力傳感器,采用HNBR或CR材料的O型圈,機油壓力傳感器采用氟橡膠等。汽車氣剎壓力傳感器可采用硅橡膠材料的O型圈;即便是同一種類材料,各生產廠家通過特殊的摻雜或者聚合處理,可擴展其使用溫度范圍。同一種傳感器應用,可能存在多種可選的材料進行匹配,在具體使用時,應與O型圈廠家進行咨詢確認后,選擇合適的O型圈材料及牌號進行傳感器結構設計。
圖4:陶瓷電容典型密封結構示意圖
壓力傳感器裝配完成后,陶瓷電容底部需要與金屬外殼保持一定的距離(上圖中間隙)。一般陶瓷電容壓力傳感器承受正壓,因此僅保留O型圈槽外圈,以降低加工難度。
通過控制上圖中臺階一與O型圈槽底的高度差,對O型圈壓縮量進行控制。
臺階二與O型圈槽底構成O型圈槽,對O型圈裝配位置進行限定,另需要O型圈槽的槽頂進行倒圓角以防止O型圈承壓后被殼體切割,對O型圈槽底倒圓角以降低裝配應力。