基于玻璃燒結(jié)技術(shù)的軌壓傳感器開發(fā)

摘 要當前硅壓力傳感器的設(shè)計和應用，一般采用正面受壓技術(shù)，例如成本較高的正面充油隔離封裝技術(shù)，或者對硅表面電路保護不徹底的正面封膠封裝技術(shù)。本文介紹基于玻璃燒結(jié)技術(shù)的高量程軌壓傳感器的研究開發(fā)，高端量程可達200MPa，實現(xiàn)軌壓傳感器的國內(nèi)自主供貨問題。【關(guān)鍵詞】玻璃燒結(jié) 壓力傳感器 軌壓傳感器

1 前言

傳感器行業(yè)一直由國際著名的一些企業(yè)在把持。如美國的霍尼維爾（Honeywell）、德國的賀力氏（Heraeus）、博世（Bosch）、飛思卡爾（Freescale）、ADI、DIGI、EPC以及美國的MEMS（精量電子（深圳）有限公司）等。國內(nèi)也有一些生產(chǎn)傳感器的知名企業(yè)，如新會康宇、上海飛樂、西安聯(lián)創(chuàng)、貴州航天電器、潮州三環(huán)、自儀股份等。在產(chǎn)品質(zhì)量及功能方面，國內(nèi)企業(yè)還有很大的提升空間。

新會康宇在傳感器行業(yè)一直致力于自主研發(fā)，開發(fā)了基于玻璃燒結(jié)技術(shù)的壓力傳感器，包括適合柴油機高壓共軌系統(tǒng)的200MPa高量程軌壓傳感器。該項工作主要包括開發(fā)專用硅應變計、開發(fā)理想的壓力基座結(jié)構(gòu)、開發(fā)硅應變計與不銹鋼基座的玻璃燒結(jié)工藝。

2 開發(fā)壓力傳感器的專用硅應變計

傳統(tǒng)的壓力傳感器以機械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重，不能提供電學輸出。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質(zhì)量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。本項目需開發(fā)壓力傳感器所需的硅壓力應變計，開發(fā)出兩款應變計，一款是多晶硅高溫應變芯片，另一款是SOI單晶硅高溫低漂移應變芯片。芯片彎管如圖1、2所示。

3 設(shè)計金屬壓力座結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計細長桿過盈配合加工壓力基座

壓力傳感器的初期精度只能做到0.5%等級，因此在0.25%級別領(lǐng)域一直無法配套使用。一旦攻克這個難關(guān)，該領(lǐng)域產(chǎn)品的質(zhì)價比能夠大幅提高，占領(lǐng)更多市場。細長桿與基座之間有一定的空隙，裝配的時候直接用手就能推入進去基座，進去以后兩者之前還是松動的，從而導致細長桿并不平衡。就算是推進去后是平衡的，但是氬弧焊接后也有可能歪向一邊，原因是焊接時候金屬熔化再固化，金屬固化收縮的過程中產(chǎn)生的巨大拉力把細長桿拉向一邊。細長桿不平衡，無法保證基于微熔技術(shù)新工藝壓力傳感器的加工質(zhì)量，加工過程中有絲印玻璃、燒結(jié)應變片等關(guān)鍵工序會影響傳感器的精度。假如細長桿本來就不平衡，壓力傳感器的生產(chǎn)加工過程就無法保證玻璃、應變片等燒結(jié)在壓力膜片正中心的位置。因此肯定會影響傳感器的精度、靈敏度等指標性能。

根據(jù)以上分析，改進的方向主要是想辦法保證細長桿焊接后的平衡度。我們在細長桿與基座的配合上面增加過盈設(shè)計，通過過盈定位兩者之間能夠能到充分的固定作用，就算是金屬高溫熔解固化過程中產(chǎn)生的巨大拉力也不能產(chǎn)生相對位移，保證焊接的質(zhì)量。比較特殊的是，使用過盈配合后，細長桿需要用一定的壓力才能推進去基座之中。改進前后裝配圖對比如圖3。

針對該項改進，已經(jīng)進行了多個量程段（3-60MPa）的測試，每種量程配置20個傳感器，不同量程下精度的保證率數(shù)據(jù)如下表。對表格中的數(shù)據(jù)分析后可發(fā)現(xiàn)傳感器的精度比之前有大幅度的提升，并且量程越大效果約明顯。

如表1所示，此項設(shè)計可擴展到所有細長桿結(jié)構(gòu)的應用場合，未來可擴大應用范圍，提高壓力傳感器的精度。

3.2 通過應力釋放環(huán)提高壓力傳感器長期穩(wěn)定性

樣機開發(fā)過程中，分體焊接式的壓力傳感器長期穩(wěn)定性相對較差，樣品放置一段時間后，就會有很少部分產(chǎn)品超出要求的±1%誤差范圍。由于焊接氬弧的位置與膜片的距離較短，焊接后殘余的應力會逐漸釋放出來，并傳遞到膜片，導致壓力膜片變形，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是隨著時間的推移，壓力傳感器的輸出會有一定的變化，產(chǎn)品輸出產(chǎn)生偏離。壓力傳感器的脖子長度不能太長，容易把焊接應力傳遞到壓力膜片，受限于產(chǎn)品尺寸，該結(jié)構(gòu)基于脖子長度不能再增長，因此釋放的焊接應力容易傳遞到壓力膜片，從而影響傳感器的長期輸出穩(wěn)定性。壓力膜片薄，受焊接應力釋放的影響很敏感，由于應用是1MPa附近的低量程領(lǐng)域，壓力傳感器膜片很薄，受其他外界應力的影響很敏感。

根據(jù)以上分析，問題存在于焊接應力的釋放，傳遞到壓力膜片，從而影響穩(wěn)定性。其中焊接方式和壓力膜片厚度都有各種的限制不好更改。因此改進的方向主要是想辦法割斷應力的傳遞環(huán)節(jié)，也就是在脖子中間增加一應力釋放環(huán)。該設(shè)計可理解成局部增加了脖子的厚度，這樣可有效隔離焊接應力到壓力膜片之間的傳遞，在產(chǎn)品的長度、材料成本沒有增加的前提下提高了輸出的穩(wěn)定性。

該改進措施在低壓量程產(chǎn)品上進行過跟蹤和效果驗證，每種型號各50個壓力座，在進行了10次的高低溫沖擊后，輸出漂移全部在±0.5%FS以內(nèi)，相對比改進前的傳感器穩(wěn)定性有顯著提高。此項設(shè)計可擴展到所有一體式結(jié)構(gòu)的應用場合，只要空間允許就能夠用上去，能夠有效降低焊接應力的傳遞，提高壓力傳感器產(chǎn)品的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

4 開發(fā)硅應變計與不銹鋼基座的玻璃燒結(jié)工藝

將超薄的硅應變計通過玻璃燒結(jié)、可靠地連接于金屬壓力座的膜片上、滿足傳感器各項使用性能，這就是玻璃燒結(jié)新工藝生產(chǎn)壓力傳感器方法。

工藝流程為：壓力座前處理、壓力座與應變計的玻璃燒結(jié)（壓力座絲印、燒結(jié)玻璃、壓力座粘放應變片、燒結(jié)應變片、老化）、壓力座貼電路板、綁定、傳感器保護、傳感器測試、傳感器送檢入庫。生產(chǎn)過程的玻璃絲印厚度、溫度、時間控制是玻璃燒結(jié)工藝的一些核心參數(shù)。

在壓力傳感器上采用壓力基座上通過絲印特定玻璃漿，燒結(jié)玻璃后，在玻璃上粘放應變片后再燒結(jié)，一方面體現(xiàn)于所要求的耐壓，即在正常介質(zhì)壓力和通常是3倍的過載壓力下，要保證足夠的粘接強度和氣密性；另一方面還要滿足測量的各項性能指標，包括線性、重復性、回差、遲滯等。玻璃燒結(jié)的厚度與產(chǎn)品性能密切相關(guān)，傳感器的量程則主要由壓力座金屬膜片的設(shè)計和加工厚度決定，不同量程，需加工不同的膜片厚度。

5 結(jié)論

本項目的主要成果在于開發(fā)專用硅應變計、理想的壓力基座結(jié)構(gòu)、硅應變計與不銹鋼基座的玻璃燒結(jié)工藝。設(shè)計金屬擠壓的密封結(jié)構(gòu)，使壓力傳感器產(chǎn)品實現(xiàn)快速封裝，并解決了應力方面的問題。開發(fā)了微熔新工藝技術(shù)在壓力傳感器上的創(chuàng)新應用，也是本項目的技術(shù)核心之一，通過這一技術(shù)可以在市場上保持競爭優(yōu)勢。改進后的壓力傳感器，抗過載性能大大提高，生產(chǎn)成本顯著降低，適于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用；整體結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)緊湊、小型化的封裝，適應不同應用的需要，顯著豐富和拓寬了小微壓力量程領(lǐng)域、高量程的產(chǎn)品系列，特別適高量程的柴油機高壓共軌系統(tǒng)所需的軌壓傳感器。

參考文獻

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[3]陳懷溥，王思杰，曹子祥.微晶硅應變計壓力傳感器的研制[J].西北大學學報（自然科學版），1989（03）：71-74.

作者簡介

羅小勇（1965-），男，湖南省新化縣人。畢業(yè)于華南理工大學半導體專業(yè)。現(xiàn)為新會康宇測控儀器儀表工程有限公司電子技術(shù)高級工程師。

作者單位

新會康宇測控儀器儀表工程有限公司 廣東省江門市 529100