金屬流密封方式介紹

梁庭壯

（廣東和宇傳感器有限公司，廣東 江門(mén) 529100）

0 引言

壓阻式壓力傳感器是利用敏感元件的變形改變電阻值，并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。壓阻式傳感器由基體、傳感頭、電路板、電子腔以及接插件等組成。各部件的封裝、密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的性能、質(zhì)價(jià)比以及尺寸體積等影響很大。基體通常可為不同螺紋或測(cè)密封連接方式，連接壓力源；傳感頭就是由敏感元件組和敏感元件的載體組成的模塊化元件，如硅應(yīng)變計(jì)壓力座[1]。因此，為了實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的基本功能，必須將傳感頭安裝到基體內(nèi)，兩者必須有可靠的密封連接。國(guó)內(nèi)外在金屬流動(dòng)特性的研究方面做了很多工作，對(duì)于利用其實(shí)現(xiàn)風(fēng)接的應(yīng)用也有不少，但是對(duì)其應(yīng)用在壓力傳感器內(nèi)部的封接，其形成機(jī)理還沒(méi)有得到明確的認(rèn)識(shí)，在理論研究方面，目前還滯后于工藝研究的工作。

1 技術(shù)背景

1.1 應(yīng)用意義

在當(dāng)今現(xiàn)代化社會(huì)進(jìn)程中，人民的生活、生產(chǎn)，早已經(jīng)離不開(kāi)傳感器，尤其近年來(lái)的“中國(guó)智造”、物流網(wǎng)等等的浪潮之中。預(yù)計(jì)到2023年，國(guó)內(nèi)傳感器市場(chǎng)將達(dá)到2 580億，其中壓力傳感器約占20%，即516億。

如何在降低成本的同時(shí)提高傳感器的各項(xiàng)技術(shù)性能指數(shù)已成為搶占市場(chǎng)先機(jī)必要條件。突破傳統(tǒng)工藝路線(xiàn)和設(shè)計(jì)思路，采用新的工藝或是借鑒其他領(lǐng)域的技術(shù)工藝，開(kāi)發(fā)出新的封裝辦法來(lái)滿(mǎn)足應(yīng)用的要求，成為業(yè)者必須面對(duì)的研究課題。

1.2 壓力傳感器的分類(lèi)

壓力傳感器可按敏感元件對(duì)其性能的影響程度分類(lèi)。傳感器按靈敏度材料可以分為陶瓷材料與金屬材料，石英、半導(dǎo)體傳感器等。根據(jù)靈敏元件的制作原理，可以將傳感器分為差動(dòng)變頻器、電阻變頻器、壓力變頻器、空箱型、波登管型、電容型以及膜片型等[2]。

根據(jù)傳感器的工作機(jī)理，用間接測(cè)量法推算出力數(shù)值。壓力傳感器就是在壓力的作用下，對(duì)敏感元件的機(jī)械變形等物規(guī)特性進(jìn)行直接測(cè)量，由此推算出數(shù)值。

有些類(lèi)型的壓力傳感器使用得比較廣泛，如下所述。

1.2.1 壓阻式壓力傳感器

隨著外部力的變化的同時(shí)，壓力源至使壓力傳感器內(nèi)的傳感頭發(fā)生彈性的機(jī)械形變。傳感頭上的敏感元件感應(yīng)傳遞過(guò)來(lái)的形變，導(dǎo)致自身也發(fā)生彈性變形，進(jìn)而改變了敏感元件的阻值，然后根據(jù)線(xiàn)性電阻值的變化而完成壓力源壓力的測(cè)量。根據(jù)該原理，制造的傳感器稱(chēng)為壓阻式壓力傳感器。

1.2.2 電容量傳感器

隨著外部力的變化，電容器板的位置也會(huì)隨之產(chǎn)生不同程度的變化，這樣就改變了電容器的電邊界。對(duì)電路電容進(jìn)行測(cè)量，可以計(jì)算出實(shí)際的壓力。按照這個(gè)原理制造的傳感器叫做電容式壓力傳感器。按電容器的結(jié)構(gòu)和位置，電容式壓力傳感器可分為同軸式、圓筒型平行板式2種。

最初的電容式傳感器的移動(dòng)板采用了金屬敏感元件，其缺點(diǎn)是價(jià)格高，占用空間大。

1.3 現(xiàn)有密封工藝

傳感頭是傳感器的核心元件。壓阻式傳感器常用的傳感頭有陶瓷芯體、充油芯體以及硅應(yīng)變壓力座等。密封主要對(duì)象是傳感頭與基體之間的通道。通常測(cè)量的介質(zhì)有水、氣以及油等。壓阻傳感器采用金屬流封口結(jié)構(gòu)，其制作方法包括底座、軟金屬連接件和硬金屬壓力件，軟金屬的前端連接件上有第一壓力源孔和階梯孔，后端有內(nèi)腔，硬質(zhì)金屬壓力件上有第二壓力源孔，第二壓力源孔靠近第二壓力源孔，第二壓力源孔靠近第二壓力源孔。二次加壓源孔設(shè)置在二次加壓源孔附近，而彈性壓縮面設(shè)置在二次加壓源孔后面[3]。1）焊接。在壓力傳感器上面，通常采用氬弧焊或激光焊，焊接是通過(guò)加熱、加壓或2種方法同時(shí)進(jìn)行。將2個(gè)相同的工件進(jìn)行原子間的聯(lián)合加工與連接，應(yīng)該是壓力傳感器中最廣泛采用的一種密封方法，這種焊接方法的使用，使得加工和裝配過(guò)程簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，具有機(jī)械化和自動(dòng)化的特點(diǎn)。2）O型圈密封。O型圈為擠壓型的密封方式，它的基本工作則是用密封件而產(chǎn)生彈性的形變。使密封接觸的表面產(chǎn)生壓力，觸點(diǎn)壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓力，則不會(huì)產(chǎn)生泄漏，相反，會(huì)產(chǎn)生泄漏。但是O型圈的密封性能有限，通用化程度低，密封的介質(zhì)、壓力值不同，需要采用不同的O型圈，甚至是特殊材料；為了達(dá)到承壓的目的，有些結(jié)構(gòu)必須添加必要的支撐，從而增大體積，如圖1所示。3）填料密封。填料密封是利用填料填充2個(gè)工件的間隙而達(dá)到密封的目的，同時(shí)還可具有防震動(dòng)、防腐、防銹、防松、隔音、隔熱或?qū)岬鹊淖饔谩Ｌ畛涫骄哂辛己玫拿芊庑裕覊勖L(zhǎng)，使用方法簡(jiǎn)單并且方便可靠，但是通用性差，密封的介質(zhì)、條件不一樣，需要采用不同的填料，而且需要有支撐結(jié)構(gòu)才能達(dá)到承壓的目的，某些填料還需要添加一定的稀釋劑、軟化劑或固化劑，使用準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。

2 應(yīng)用原理

由于傳統(tǒng)封裝連接方式的缺點(diǎn)不能滿(mǎn)足壓力傳感器高精度測(cè)量的需要，尤其是難以實(shí)現(xiàn)小型化封裝。

根據(jù)該情況，解決當(dāng)前問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于封裝結(jié)構(gòu)需要滿(mǎn)足如下條件。可靠的承壓能力、可靠的密封性能、具有快速裝配生產(chǎn)的能力、較低的封裝應(yīng)力[4]。

以下為采用金屬流技術(shù)進(jìn)行傳感器頭與底座的封裝連接，如圖2所示。

圖2 傳感器與底座封裝連接圖

金屬流的基本依據(jù)是金屬塑性變形的特點(diǎn)。采用2種不同硬度的金屬，通過(guò)推壓、沖壓等方式，使較硬金屬進(jìn)入較軟金屬中，使較軟金屬產(chǎn)生永久塑性變形而使2種金屬緊密結(jié)合，就如同金屬的冷流動(dòng)。以至達(dá)到密封和承壓的手段，形成2個(gè)器件之間的可靠連接。

這種封裝方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，通用性強(qiáng)，氣密和承壓性能優(yōu)越，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)緊湊、小型化結(jié)構(gòu)，并且殘余應(yīng)力小。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 密封圓槽的設(shè)計(jì)

密封環(huán)槽是解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。在傳感頭封裝過(guò)程中，通過(guò)壓推傳感頭，使其壓入至中間連接的基體孔。由于密封環(huán)槽的容納過(guò)渡，它是一種均勻的環(huán)力，壓力方向以徑向?yàn)橹鳎灰斐蛇^(guò)大的過(guò)盈壓力傳給感應(yīng)器而影響感應(yīng)器的性能，包裝后的應(yīng)力不會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的性能，達(dá)到密封承壓的目的。

3.2 金屬流實(shí)現(xiàn)依據(jù)

在壓力傳感器中，采用金屬流的方法進(jìn)行傳感頭與基體之間的封裝連接，主要涉及以下3個(gè)方面的技術(shù)內(nèi)容。

3.2.1 材質(zhì)選擇

軟金屬必須比硬金屬的硬度低一半左右，材質(zhì)均勻，成分穩(wěn)定，而且需要有良好的塑形和延展性，需要使用合金材料，必要時(shí)還需要做退火處理降低其硬度值。如軟金屬為合金鋁，硬金屬為不銹鋼[5]。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先要計(jì)算使金屬產(chǎn)生的塑性變形所需要增加的外在力量，也就是變形力，實(shí)際設(shè)計(jì)誤差不應(yīng)超過(guò)10%；其次，要計(jì)算在結(jié)合過(guò)程中的彈性變形量，軟硬金屬體積變化、變形不能超過(guò)5%。軟、硬金屬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單實(shí)用，還需要考慮量產(chǎn)的需要，以簡(jiǎn)單的設(shè)備、工裝就能實(shí)現(xiàn)功能。

3.2.3 密封性能及強(qiáng)度檢測(cè)

需要采用合適的設(shè)備在不同溫度下進(jìn)行不同介質(zhì)的高振動(dòng)加壓測(cè)試，如使用煤油、大氣等介質(zhì)，密封溫度范圍為-40 ℃～150 ℃，測(cè)試承壓能力為100 MPa，及疲勞循環(huán)200萬(wàn)次以上，以確保金屬流結(jié)合穩(wěn)固，并且不受材料膨脹系數(shù)的影響。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 極限爆破試驗(yàn)

極限爆破試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證金屬流封裝結(jié)構(gòu)的基本性能，能不能到達(dá)設(shè)計(jì)目標(biāo)，能不能滿(mǎn)足使用要求。

由于測(cè)試的壓力值較高，用常規(guī)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到。因此對(duì)基座封裝頭進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，如圖3所示。試驗(yàn)的壓力源為具有壓力泄漏檢測(cè)功能的高油壓壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)品置于高低溫箱中。

圖3 基座封裝機(jī)構(gòu)圖

試驗(yàn)方法：分別將試驗(yàn)件與常溫25 ℃、高溫150 ℃、低溫-40 ℃，以50 MPa為起點(diǎn)，每5 MPa向上加壓，每次保壓1 min，直至發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。以下表1為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，破壞泄漏值（單位MPa）。

表1 保壓溫度密封試驗(yàn)結(jié)果

保壓溫度密封試驗(yàn)結(jié)果從試驗(yàn)結(jié)構(gòu)可以看出，使用金屬流的密封方式，能滿(mǎn)足較高量程、不同溫度的使用場(chǎng)合的要求。

4.2 泄漏率試驗(yàn)

泄漏率是壓力傳感器密封性能的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。

常規(guī)測(cè)試泄漏率，常規(guī)使用的設(shè)備為氦氣檢漏儀。由于氦氣測(cè)漏儀的需要的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此按照如圖4所示的方案進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)方法：將試驗(yàn)件置于溫箱下，至樣件恒溫至25 ℃，對(duì)實(shí)驗(yàn)工件通入2.1 MPa的氦氣，連續(xù)測(cè)試3 d，每天試驗(yàn)的同一時(shí)間，記錄相關(guān)泄漏率（單位Pa·m3/s），見(jiàn)表2。

表2 金屬流密封泄漏率試驗(yàn)結(jié)果

金屬流密封泄漏率試驗(yàn)結(jié)果從試驗(yàn)結(jié)構(gòu)可以看出，使用金屬流的密封方式，具有良好的密封性能。

5 理論計(jì)算

將金屬流應(yīng)用于壓力傳感器，必須考慮封裝應(yīng)力對(duì)傳感頭影響，同時(shí)要確保密封承壓的安全。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，對(duì)不同材料的熱膨脹系數(shù)、剪切極限、屈服極限、疲勞期限等進(jìn)行計(jì)算。簡(jiǎn)化了封裝程序，實(shí)現(xiàn)了緊湊，小尺寸封裝結(jié)構(gòu)。

形變力通過(guò)工作面對(duì)變形工件施加，如推力、沖壓等。要求的應(yīng)變力一般是工件上工作應(yīng)力在工件運(yùn)動(dòng)方向上投影的總和。因此變形力P如公式（1）所示。

式中：δn為工作應(yīng)力，在工作表面上通常是不均勻的，d為密封承壓的安全指數(shù)；為常用單位壓力；s為工作面積。變形力理論計(jì)算誤差通常小于10%，具體可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行修正。

式中：Q為結(jié)構(gòu)件的剛度；P為表面受到的變形力；S為變形方向的橫截面積。原則上彈性變形量設(shè)計(jì)為0～5%，具體可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行修正。

圖4 泄漏率檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語(yǔ)

金屬流是壓力傳感器為了克服現(xiàn)有密封技術(shù)的不足，解決了傳感器小型化、成本低等要求而被應(yīng)用的。為了實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的基本功能，必須將感應(yīng)器安裝在基體上，兩者必須有可靠的密封連接。經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)，計(jì)算了各種材料的熱膨脹系數(shù)。封裝程序簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了小巧的封裝結(jié)構(gòu)。利用軟硬金屬結(jié)合的原理，也能應(yīng)用于不能焊接的密封場(chǎng)合。金屬流具有很多優(yōu)勢(shì)，不僅能在傳感器領(lǐng)域推廣，而且還能應(yīng)用于其他需要密封的設(shè)計(jì)中。