一種超高壓力傳感器感應元件結構設計

孫鐵鋼，何燕君，王豐，魏慶山，劉東，王瑞平

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

引言

壓力傳感器應用領域廣泛：汽車、醫療、管道傳輸等。量程是衡量傳感器能力的一個重要指標，尤其是超高壓力傳感器，結構及工藝穩定性要求非常高。決定傳感器測量量程關鍵結構為帶膜片的金屬支撐結構和背面貼裝的芯片，而金屬膜片部分設計是實現一切功能的基礎。滿足產品性能的同時還要兼顧可制造性、成本、良率、生產周期和結構尺寸可測量性等諸多因素。當前多為宏觀評價傳感器的基本性能及應用，但針對于超高壓力傳感器敏感元件結構設計缺乏研究。本文就超高壓力（＞300Mpa）傳感器敏感元件設計進行詳細討論。主要討論承載壓力膜片部位結構尺寸和螺紋頭部密封端面附近的結構設計。

1 敏感元件結構設計

螺紋管是承載壓力的關鍵部件，發生在膜片部位的應力應變會傳導到貼在其背面的硅應變片上，應變片以玻璃微熔方式將敏感元件貼在金屬薄膜上，因此將金屬膜片的應變視為等效傳遞到應變片上。應變片會集成到處理電路中，進行運算放大得到被測信號與輸出電壓之間的關系。通常的放大倍數有幾百倍甚至上千倍。物理上的微小變化通過放大后都會嚴重影響產品精度。基于以上這就要求螺紋管和硅應變片的敏感元件滿足以下條件：外形小巧、密封良好、耐腐蝕、容易安裝、安裝扭矩影響小、對壓力影響敏感、機械特性穩定、非線性誤差小。

圖1 敏感元件結構

（1）頭部：如圖1 膜片主要是將介質壓力轉化成應變/應力，是影響傳感器精度和性能最關鍵的因素。頭部包含三個關鍵參數：膜片厚度，內徑和內部倒圓角。這三個參數決定傳感器壓力測量范圍、壓力線性度和敏感度。內控導圓角直接影響應變/應力在膜片上的分布。除此之外頭部外徑和厚度同樣會影響應變的分布。

（2）頸部：會隔絕安裝帶來的影響傳遞到膜片部位，如圖1 頸部厚度和高度影響隔絕效果。頸部越長越薄隔絕效果越明顯。頸部厚度設計通時影響傳感器承受最大壓力。其外徑對壓力非線性度有一定影響。

（3）肩部：結構設計決定于生產制造和組裝過程。同時也決定了傳感器的外輪廓和基礎棒材的選擇。裝配扭矩會作用于肩部傳遞到傳感器本體上去。

（4）密封部位：傳統的密封結構以及依靠橡膠等彈性體的密封形式很難承受如此大的壓力。金屬對金屬密封是很好的解決方案。傳感器所用螺紋管材料為17-4 熱處理不銹鋼，硬度＞37HRC.所以對配結構通常選擇比較軟的材料。當兩者裝配到一起的時候。硬度較小的一端發生塑性變形。兩者完全貼合，同時塑性變形能夠彌補金屬表面由于加工帶來的缺陷。從而提高密封性能。同時由于對配結構發生塑性變形，因此金屬對金屬密封最好不要多次拆卸。該密封方式對裝配過程要求較高。

2 強度設計準則

（1）爆破壓力設計評價標準如下：

式中：σmax——爆破壓力時最大應力準則

σb——17-4 為本螺紋管的材料1165Mpa

fb——為安全系數，通常推薦fb＞ 1.1

（2）疲勞應力設計評價標準如下：

式中：σmax——滿量程下軸向最大應力

σf——疲勞強度，應用馮氏應力替代此值

fb——為安全系數，通常推薦fb＞ 1.2

材料的疲勞強度受材料的表面質量系數，可靠性系數影響。此次分析不考慮溫度系數影響。循環次數按照1000 萬次[1]評估，同時假設每次壓力波動都是有0bar 壓力至滿量程，σf的參考值為430Mpa。

3 結構設計

3.1 螺紋管設計

結合生產制造易加工性，結構復雜所帶來的成本提升和模擬分析時間成本等以下9 個參數（圖2）將作為重點分析尺寸：①膜片厚度，②內控導圓角，③內孔直徑，④頭部頂端高度，⑤安裝凸臺高度，⑥頭部外直徑，⑦膜片頭部外側厚度，⑧頸部壁厚，⑨應變片位置。

圖2 敏感元件關鍵參數

3.2 密封部位設計

唇口密封帶基于經驗設計寬度為0.4mm。內側倒角是應力集中的主要區域，應力集中是影響壽命的關鍵部位。當金屬表面由于加工產生的缺陷以及金屬在冶煉及成形過程中的夾雜形成時，集中應力會沿著這些缺陷向內部擴展，最終導致失效。如圖3 為使集中應力最小考慮如下四種方案：

圖3 密封區域

4 FEA 結果

通過模擬分析（圖4）得到頭部頂端高度及安裝凸臺與傳感器性能非強相關。兩個尺寸只要是起到支撐其他傳感器子零件作用，為裝配結構。其他關鍵尺寸（圖5）如下：

圖4 應力應變

圖5 關鍵參數

圖6 密封區域

如圖6 密封結構模擬分析顯示過渡圓角越大產生的應力越小。對于本次設計的四種結構都小于材料的壽命允許的最小強度。也就是說四種結構都能滿足壽命要求。但是基于各個設計應用，布置空間及生產制造性限制可以自行選擇。針對于本結構由于各個方面均沒有特殊限制，所以選擇最大圓角0.84mm 結構。這樣更能減小生產時候表面缺陷帶來的影響。

5 功能檢測結果

在壓力量程范圍內不同溫度點檢測產品功能，結果如圖7 所示產品功能滿足要求。當在常規工作溫度區間內產品性能最優異。

圖7 功能檢測結果

6 結論

在推薦的設計準則下設計了一種超高壓力傳感器敏感元件結構，并確定了詳細尺寸，經過試驗檢測產品各項性能均滿足要求。