硅壓阻壓力傳感器優化設計

張穎英 鄧勇生 劉濤 高羅強

摘 要：采用硅壓阻敏感芯體制作的傳感器具有較高的精度和較好的長期穩定性，被廣泛運用于壓力傳感器中。但普通的硅壓阻敏感芯體在測量發動機儀器艙內氣體壓力和頭罩部位氣體壓力時，出現了信號跳變的異常現象。通過對硅壓阻敏感芯體工作原理進行分析，以及對敏感芯體充油工藝的分析，發現普通敏感芯體信號跳變是由于芯體在振動和低氣壓復合環境下內部硅油出現了空化現象。可選擇采用高真空的硅壓阻敏感芯體來杜絕芯體內部硅油空化現象的發生，試驗證明，該方法可有效解決信號跳變這一問題。

關鍵詞：硅壓阻壓力傳感器;敏感芯體;信號跳變;硅油;空化;振動

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

采用硅壓阻敏感芯體制作的傳感器具有較高的精度和較好的長期穩定性，被廣泛運用于壓力傳感器中。我們在使用普通硅壓阻壓力傳感器測量發動機儀器艙內氣體壓力和頭罩氣體壓力的過程中，出現了壓力傳感器輸出信號跳變的異常現象。本文針對這種異常現象，對硅壓阻敏感芯體的工作原理、充油工藝過程進行了分析試驗，發現普通敏感芯體出現信號跳變的原因是芯體在振動和低氣壓復合環境下，內部硅油發生了空化現象，若采用高真空敏感芯體替代普通敏感芯體，則可以杜絕芯體內部硅油空化現象的發生，從而解決壓力傳感器輸出信號跳變的異常現象[1-3]。

1 原因分析

1.1 硅壓阻敏感芯體的工作原理

硅壓阻敏感芯體的實物及結構如圖1所示。硅壓阻敏感芯體主要由壓力膜片、硅油、硅杯、殼體等組成。膜片用于感受外界壓力，將壓力傳遞到硅油，再由硅油傳遞到硅杯，硅杯在壓力的作用下產生微變形，從而使硅杯上電橋各橋臂的電阻阻值發生變化，再通過電路檢測這一變化，輸出一個對應這一壓力的標準測量信號，從而完成壓力測量[4-5]。

1.2 敏感芯體輸出信號跳變的機理

敏感芯體輸出信號跳變是由于發生了空化現象，與敏感芯體充硅油工藝過程有關。

1.2.1 空化現象及空泡機理

空化現象是指當液體介質遭到連續性破壞時，會導致壓力降低，當液體內某點壓力降低到臨界壓力以下時，液體發生氣化，逐漸匯聚為小氣泡，爾后在液體內部或液體與固體的交界面上匯合形成較大的蒸汽與氣體的空腔，成為空泡。液體中存在的氣核（微小氣泡）和壓力降低是空化現象發生的兩個必要條件。

查閱資料表明，易于發生空化現象的典型情況之一為壁面振動產生的加在平均壓力場上的震蕩壓力場，在負震蕩時可能出現空泡。

1.2.2 敏感芯體充硅油工藝過程壓力敏感芯體充硅油過程如下。

（1）將需要充硅油的工件放入托盤，注油孔應盡量垂直向上，關閉鐘罩。

（2）啟動設備，打開機械泵1，再緩慢打開預處理室真空閥開始抽真空操作;打開機械泵2，再打開旁路閥開始對充油室進行預抽真空操作，打開真空計，待真空度達到（5.0～9.0）×10-1時關閉旁路閥，打開前級閥與分子泵，對充油室進行抽高真空操作，5～10 min后再對油處理室及充油室進行加熱。

（3）待油溫及真空度達到要求后，打開放油閥，通過透視窗觀察注油過程，應注意觀察托盤油位，不可溢出托盤。托盤內油位超過傳感器注油孔3～10 mm后，關閉放油閥。

（4）關閉預處理室的真空閥，再關閉對應的機械泵1;然后依次關閉插板閥、分子泵，待分子泵轉速為零后，關閉前級閥和機械泵2，緩慢打開放氣閥給鐘罩放氣，放氣完畢后觀察托盤內油位線應超過注油孔，然后升起鐘罩，用干凈的鑷子取出工件。

（5）充油結束，清理充油室。

（6）充油結束后，充油件的液位應高于或與注油孔平齊，再將密封堵頭的錐頭一端塞入注油孔，將堵頭壓緊，使堵頭的外端面與注油孔外端面平齊。堵頭壓緊后，清理充油件的表面硅油，進行焊接密封。

1.2.3 敏感芯體輸出信號跳變機理

通過對充油工藝過程進行分析，發現雖然在充油前對硅油進行了凈化處理，去除了溶解在硅油中的雜質氣體，但在利用大氣壓將硅油通過注油孔壓入敏感芯體與將堵頭壓入注油孔并焊接的過程中，有可能存在部分空氣重新溶解于硅油中。如此一來，硅油中就有了氣核（微小氣泡），具備了發生空化現象的第一個必要條件。

在振動低氣壓復合試驗中，在抽真空完成后（壓強約100 Pa）、振動前，芯體內部的壓力與外界平衡為100 Pa，施加振動條件，硅油在芯體內進行壁面振動，產生震蕩壓力場，在負震蕩時，膜片或引線座界面上的壓力遠低于100 Pa，具備了空化現象的第二個必要條件—壓力降低。

振動試驗前，敏感芯體內部處于非空化狀態，即敏感芯體內部的硅油與其他界面充分接觸，芯體內部的氣體均以氣核的方式存在于硅油中。

振動試驗開始后，便具備了發生空化現象的兩個必要條件，空泡開始形成，進入臨界空化狀態。在該狀態下，生成的氣泡量比較小，可以通過壓力膜片的微小變形平衡內外壓力，因此敏感芯體內部的壓力不會有明顯增加。

振動試驗進行一定時間后，開始進入局部空化狀態，在敏感芯體內部的界面上出現成片的空泡，這些空泡會使敏感芯體內部的壓力劇增，而這部分壓力無法繼續通過膜片的變形與外界平衡，膜片上應力變化明顯，導致內部壓力增大，而該壓力作用于硅杯將導致敏感芯體輸出跳變。

對上述發生空化現象的兩個必要條件進行分析，硅油中存在的氣核及壁面振動導致的壓力降低均具有一定隨機性，因此壓力敏感芯體發生空化現象導致輸出信號發生跳變也具有一定的隨機性[6-7]。

2 解決方案

2.1 敏感芯體工藝改進方案

本方案采用高真空充油芯體，這種芯體的特點是芯體內部充的硅油在高真空環境下經過高真空處理，真空度可達10-3～10-4 Pa。選用這種芯體可以避免空化現象的產生，可以解決在低氣壓振動復合環境下輸出信號跳變的問題。

2.2 敏感芯體工藝改進前及改進后對比

普通敏感芯體在氣壓值約為100 Pa且施加振動環境后，敏感芯體輸出發生了跳變，曲線如圖2所示，輸出由0.2 V跳變為0.5 V，對應壓力值約為6.5 kPa。

對高真空壓力敏感芯體（量程100 kPa，輸出0～100 mV）進行了振動及低氣壓復合試驗，試驗過程中敏感芯體未發生跳變，試驗記錄曲線如圖3所示。

3 結 語

硅壓阻壓力傳感器在使用普通敏感芯體測量發動機儀器艙內氣體壓力和頭罩氣體壓力時出現了信號跳變的異常現象，我們通過對硅壓阻敏感芯體的工作原理及充硅油工藝過程進行分析，發現普通硅壓阻敏感芯體在振動和低氣壓復合環境下，內部硅油發生了空化現象。因此改進敏感芯體制作工藝，采用高真空敏感芯體，杜絕空化現象的發生。經過試驗，證明文中所提方案有效解決了硅壓阻壓力傳感器在測量時發生信號跳變的問題[8-10]。

參 考 文 獻

[1]李曉瑩，張新榮，任海果.傳感器與測試技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

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[4]安躍.壓阻式壓力傳感器性能優化和結構設計[D].南京：東南大學，2017.

[5]周曉宇，張萌穎，杜利東，等.高精度硅壓阻式氣壓傳感器系統設計[J].傳感器與微系統，2017，36（4）：97-99.

[6]李旺旺，梁庭，張迪雅，等.SOI壓阻式壓力傳感器敏感結構的優化設計[J].儀表技術與傳感器，2016（6）：15-18.

[7]張燕琴，邢維巍，景標.基于V-F變換的硅壓阻壓力傳感器的處理電路[J].傳感技術學報，2016，29（2）：161-165.

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