高可靠性壓力傳感器的設計方法

1、高可靠性壓力傳感器的設計方法摘要：壓力傳感器廣泛應用于各種現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，對于在機車、冶金、石油 化工、動力機械、航空航天等工程領域應用的傳感器來講，研究高可靠性及耐高 溫的壓力傳感器具有重要的實際意義。例如航空發(fā)動機進出口油壓測量，發(fā)動機 燃燒室氣體壓力測量、汽車發(fā)動機用機油壓力測量、增壓熱燃氣噴口壓力測量時， 一旦傳感器失效或者泄漏，不僅會造成測量輸出異常，甚至會造成人員傷亡。目 前，工業(yè)上常見的壓力傳感器芯片為擴散硅原理，壓敏電阻和襯底通過PN結電 隔離，當工作溫度超過1201時硅材料本征激發(fā)PN結會反向導電，所以不能 在高于12 0C的環(huán)境下進行壓力測量，傳感器敏感元件的安裝結構通常為

2、。型 密封圈“懸浮結構，存在泄露隱患。針對某工程領域實際需求，提出了一種高可 靠性壓力傳感器的設計方法，傳感器芯片采用擴散硅原理，具有優(yōu)良的高溫性能， 敏感元件通過電子束焊接連接，輸出信號還將進行溫度補償。最后經(jīng)過環(huán)境試驗 證明，該產(chǎn)品的可靠性和性能指標可以滿足工程要求。關鍵詞：高可靠性；壓力傳感器；設計方法1傳感器設計1.1敏感元件設計芯片是傳感器的核心，功能是將被測壓力轉換為電信號。為了滿足高溫使用 需求，傳感器芯片為SOI結構，結構以襯底硅作為機械支撐，頂層單晶硅膜用 于制造器件，中間的絕緣介質(zhì)作為隔離層SOI壓力芯片利用硅氧化物實現(xiàn)敏 感電阻之間以及與基片之間的電隔離，替代了傳統(tǒng)的擴散

3、硅PN結電隔離技術， 因而具有良好的高溫工作特性。芯片由硅材料和玻璃組成，硅材料和玻璃之間是 靜電封裝結構。敏感元件本設計采用隔離密封的充灌結構，芯片侵泡于填充夜中，該結構具 有工藝成熟、靈敏度高、穩(wěn)定性好、被測介質(zhì)與敏感芯片無接觸等優(yōu)點，能充分 發(fā)揮硅材料優(yōu)良的線性特性。敏感元件結構如圖1所示，主要由芯片、管座、膜 片等零件組成。敏感芯片采用高溫膠粘貼裝配在耐高溫的金屬管座上；芯片與金 屬外引線通過金絲內(nèi)引線連接，該工藝成熟可靠；金屬外引線采用金屬一玻璃封 接工藝與管座連接固定，具有較高的機械強度、耐高溫性和良好的密封性；不銹 鋼波紋膜片氣密性隔離敏感芯片和被測介質(zhì)，可避免芯片受介質(zhì)影響；不

4、銹鋼波 紋膜片通過激光焊接固定在壓環(huán)和管座之間；不可壓縮的填充液硅油被真空凈化 處理后灌入感壓腔內(nèi)，灌封完成后用封油珠焊接密封充灌油路；當壓力作用在波 紋膜片上時，膜片變形通過硅油傳導壓力至芯片，芯片上電橋橋臂電阻變化產(chǎn)生 相應信號。圖1壓力敏感元件結構1.2整機結構設計整機結構設計需滿足防水、防塵、抗電磁干擾、抗振動和沖擊、體積小、重 量輕、便于裝配等要求。傳感器為機電一體化產(chǎn)品，整機結構主要由電路板、殼 體、固定件、基座、敏感元件和阻尼塞等組成。壓力傳感器工作時通過基座螺紋 安裝固定在被測管路及箱體上，基座材料選用不銹鋼3 16L，材料采用固溶熱 處理后加工使用。固定件在傳感器內(nèi)部起承接固

5、定作用，固定件下端內(nèi)部螺紋與 基座連接，固定件下端外部螺紋與殼體連接，固定件上端有4個螺紋孔，通過4 個M2螺釘和平墊圈固定電路板，螺紋均涂覆環(huán)氧膠擰緊防松，膠體填充螺紋縫 隙間。固定件和殼體材料選用鋁合金以減輕整機的質(zhì)量，殼體表面進行導電氧化 處理。傳感器導線選用高溫導線。阻尼塞可降低大沖擊壓力對膜片的損傷，還可 避免尖銳物品損壞敏感元件膜片。敏感元件和基座安裝結構將直接決定傳感器的 密封強度，常見的安裝結構為密封圈隔離安裝、螺紋安裝和焊接安裝3種。傳感 器結構設計采取了0型密封圈和焊接相結合的安裝方式。型圈懸浮式結構利用 橡膠的彈性及柔性可充分隔離裝配應力。焊接采用電子束焊接，無需填充材料

6、， 與激光焊接技術相比具有焊接面積小、速度快、不易損傷精密電子器件、焊接參 數(shù)易于控制等優(yōu)點。電子束焊接技術(electron beam weld ing，EBW)是利用高速電子的動能轉化為熱能，使焊縫處的金屬材料迅速 熔化融合從而達到焊接的目的。由于高溫會導致敏感元件內(nèi)部硅油性質(zhì)變化，因 此決定焊接部位為敏感元件上端面，焊縫形式為徑向環(huán)形焊縫，且在焊接處設計 散熱錐面已降低敏感元件表面溫度。1.3溫度補償設計在實際工程應用中為使傳感器的技術指標及性能不受溫度變化影響而采取的 一系列技術措施稱為溫度補償技術。壓力傳感器的溫度補償通過電路設計實現(xiàn)， 利用專用的傳感器信號調(diào)理芯片實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒?/p>

7、具有集成度高、精度高、便 于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點Maxl452是一款較常見的信號調(diào)理芯片，該芯片是 一款高度集成的信號處理器，具有放大、校準和溫度補償功能，其綜合工作特性 可以逼近傳感器所固有的可重復能力，可同時實現(xiàn)零位和靈敏度的補償。該芯片 還可用于加速度傳感器、濕度傳感器的溫度補償及校準。電路主要由穩(wěn)壓源、信 號處理器和敏感元件電橋組成。穩(wěn)壓源提供穩(wěn)定5V電壓，信號處理器通過BD R管腳給電橋供電，通過INP和INM管腳接收電橋感受壓力后輸出的電壓信 號，在信號處理器內(nèi)部通過溫度補償曲線對信號進行補償，并由OUT管腳直接 輸出補償后的電壓信號。信號處理器對電橋的供電可設置為恒流供電或恒壓供電，

8、 本設計選用恒流供電模式。補償完成后的傳感器在低溫一4 0C和高溫6 0零 位差值不大于0.005V，且溫度范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定。2環(huán)境試驗2.1力學試驗傳感器力學試驗包括振動試驗、模擬運輸試驗、沖擊試驗和過載試驗。振動 試驗和模擬運輸試驗均在電動振動臺上進行，沖擊試驗在跌落式?jīng)_擊臺上進行， 過載試驗在中型離心機上進行。試驗方向均沿產(chǎn)品相互正交的3個方向，試驗過 程中傳感器通電測試，傳感器輸出需滿足零點輸出要求，傳感器外觀無損傷。2.2自然環(huán)境試驗傳感器自然環(huán)境試驗包括低氣壓試驗、溫度循環(huán)試驗、濕熱試驗、高溫試驗、 低溫試驗、溫度沖擊試驗、霉菌試驗和鹽霧試驗。試驗過程中產(chǎn)品在環(huán)境試驗箱 通電檢測。試

9、驗中的傳感器輸出正常，試驗后產(chǎn)品結構完好，在常規(guī)條件(溫度: 2 0C，濕度：3 0%5 0%)下加電測試傳感器的性能指標，結果和試驗前 的指標基本保持一致，說明該傳感器可以經(jīng)受自然環(huán)境的考核。傳感器高溫試驗 溫度為15 0C，保溫時間2h，試驗系統(tǒng)原理，將傳感器裝到加壓工裝上，工 裝和傳感器放入溫度試驗箱中，工裝通過油管與箱外活塞式壓力計連接，傳感器 通過測試電纜與箱外電源和數(shù)字表連接。2.3電磁兼容試驗電磁兼容試驗考核的試驗項目包括CE102.CS101.CS114. CS115.CS116及RS103測試。試驗中傳感器未發(fā)生異常現(xiàn)象，試 驗后傳感器的電氣性能輸出均正常，傳感器電磁兼容性可

10、以滿足大多數(shù)工程應用 中使用要求。結論高可靠性壓力傳感器在軍事和民用領域均有十分重要的應用價值，本文提出 了一種高可靠性壓力傳感器的設計方法。通過各項試驗對傳感器進行了性能驗證， 經(jīng)試驗與測試表明，采用該設計的壓力傳感器不僅可靠性高，且尺寸小，重量輕， 能夠滿足高可靠性工程領域的使用需求。目前該產(chǎn)品已在實際工程中應用，測試 效果良好。針對工程應用中對高可靠性壓力傳感器的使用需求，提出了高可靠性 壓力傳感器的設計方法，設計的傳感器機械結構簡單，密封性能優(yōu)良;電路采用溫 度補償設計，溫度范圍內(nèi)精度高。傳感器通過了可靠性強化試驗的考核，試驗表 明該傳感器可以滿足極端環(huán)境的應用需求。參考文獻：張曙堅，夏狀東，姚福龍,張林偉.NCP5A5型高