石英壓力傳感器的結構設計和制造工藝研究

梁庭壯

（廣東和宇傳感器有限公司,廣東 江門 529100）

現階段，有關石英壓力傳感器的結構設計和制造工藝的研究相對較少，基于此，采取行之有效的方法對其進行分析研究，如針對選料過程、切片過程、超聲料落、擺片精磨及拋光作業、膜片金屬化工藝、提升測量精度與工作效率、控制成本投入及消耗、加強技術人才隊伍建設、優化傳感器制造工藝等，對當下我國石英壓力傳感器優化設計、制造工藝等進行闡述，有十分重要的理論意義。

1 研究方向及意義

隨著我國綜合國力的不斷提升，石英壓力傳感器在軍工產業及重點工業領域的應用比例逐漸提升[1]。石英壓力傳感器是基于壓電效應，將壓力信號變化轉換為石英晶體的固有振動頻率變化，電路再將石英晶體頻率轉換為相關電參數輸出。石英壓力傳感器是相對于諸多不同類別壓力傳感器，精度和穩定性較高的一種測量型傳感器。通過市場調研發現，石英壓力傳感器應用領域十分廣泛，主要涉及航天、軍工、石油、船舶、醫藥等產業[2]。隨著石英壓力傳感的廣泛應用，相關研究也越發向著時效性、功能性等層面轉變。石英壓力傳感器優點較多，主要包括耐沖擊、抗震動、無彈性滯后、耐腐性較強，且線脹系數相對較小。同時，該類傳感器的精度和穩定性也相對較高，如在測量精度層面，石英壓力傳感器比一般的壓阻式傳感器要高。該優點將石英壓力傳感器應用范圍逐漸擴大。此外，相對于傳統金屬壓力傳感裝置，石英壓力傳感器靈敏度更高，并能根據不同環境進行自動適應調節，且穩定性、分辨率頗高，使石英壓力傳感器在氣象領域應用空間擴大。

本研究以石英壓力傳感器結構設計為中心，對該傳感器制造工藝的主要形式與步驟進行敘述，側重分析存在的諸多問題及情況，并提出制造管理及質量控制的建議，為后期研究與相關工作的開展奠定基礎。

2 結構設計方案

2.1 主體結構

在進行石英壓力傳感器的結構設計時，一定要注重其時效性和功能性[3]，對傳感器的功能發揮、穩定可靠進行詮釋，才能達到研發設計目的。本研究石英壓力傳感器的敏感元件設計如圖1所示。

圖1 石英壓力傳感器結構設計

分析圖1可知，其特點如下：

（1）該結構設計具備E型膜片特點及垂鏈式膜片特征，如膜片中心所能造成的位移相差不大，且完全接近平移狀態，非常符合平行板電容器平臺運行需求，同時對膜片線性度、強度等進行了一定的改動升級；

（2）該結構設計對中心剛度進行了最大程度加強，使其與平行板電容器更為接近；

（3）該結構設計補充一片動電極，讓電容輸出量大幅度提升。

2.2 邊界條件

傳感器結構中，壓力傳感器的作用非同小可，它具有中心功能，需結合大氣壓與相關環境條件，對其應力、應變等進行合理設計[4]。通過分析可發現，邊界條件的形式多為主載荷動態模式、約束基礎模式。

分析后發現，該傳感器的主體狀態一般以內部真空為主，而大氣壓會對其外部造成一定波及。所以，應結合具體情況對載荷進行優化操作，主要處理措施是對壓力傳感器表面上方X位置進行載荷操作。對已劃分完成后的單元上進行作用力加設，在X位置所對應下面應加設作用力，完成對載荷過程的模擬[5]。但構建模型時已將外環放棄，因此要對約束條件進行設置，主要是在其周邊約80個節點面進行設計。可對X、Y、Z進行加設限制，以該方向平移自由度約束為加設主體。

3 石英壓力傳感器制造工藝分析

石英玻璃作為一種重要材料，在西方各國已經應用多年，近代其應用得到了極大發展。壓力傳感器所選擇的傳感元件材料主要是高純石英結構物質，在機械加工過程中容易因各種問題導致破碎發生，不能保證其精度。

根據石英的主要特征與屬性，具體加工工序如下：選料→切片→研磨操作→拋光操作→腐蝕撓性梁操作→腐蝕極板距操作→清洗操作→上下片鉆孔操作→下片擴孔操作→清洗操作→蒸鍍電極操作→焊接作業→電極引線封→蒸鍍電極焊接作業→檢驗工作等。以下對部分工序進行探討。

3.1 選料過程

本設計將上海石英玻璃廠出品的“JGS的遠紫外石英物質材料”擬定為案例選料。結合傳統加工方法、具體的實踐經驗，加工工藝上以穩定片子為主，確保該石英擺片在加工環境下的機械、物理、化學性能穩定。該材料的特性要求如下：光譜特性為1類標準；光學均勻性為1類標準；雙折射為la類標準；條紋為1類c級標準；顆粒不均勻性為1類標準；氣泡為0類標準；熒光特性為2類標準。

3.2 切片過程

切片在整個加工制造中具有較大影響，為擺片加工前的重要工序之一[6]。應采用高效、適用的切片裝置，保證切出片尺寸精度及其自身的平行度、平整度。在切割原材料過程中，鋸片如發生嚴重振動，成品精度會相對較低。而線鋸切片、帶鋸切片加工模式可提升一定的精度，可加工速度相對偏低。因此，建議選擇內圓切片加工模式，其特點為精度、效率優勢明顯。本案例建議采用J5070—1/ZF型切片裝置，且切片厚度允差為±0.01 mm，平行度的允差為0.01 mm。設備在刀片裝配完成之后要利用千分表檢驗，對其夾裝裝置、刀口徑向進行校正，使其跳動達到最小幅度。

3.3 超聲料落

該工序也十分關鍵，對后續工藝施展影響頗大[7]，操作不當容易造成廢成品情況出現，也容易導致崩邊問題發生。同時，傳統工藝加工速度較慢，每片需20 min才能完成，工具容易產生磨損。

該工序需多方位開展升級優化，并要對誤差進行有效控制。在進行重磨工具時要格外重視，控制橢圓的長短軸差值在0.02 mm之下。可選擇對磨料噴口的位置進行調整，這樣也可減少誤差。在每次開磨工具時，即進行第一片加工時，一定要對橢圓度進行檢查，若出現超差，要馬上進行工具替換。

磨料細度對呈現結果也很重要。可不用對粗糙度腐蝕完成后進行修邊作業，且整齊度較好。在超聲作業中造成的損傷層為25 μ。其損傷方面超出噴射性作業2.5 μ。所以，拋光余量應設定稍大，為其對該層進行拋光做好準備。

超聲作業中，在擺片落料完成后要使其自身的粗糙度Rz=2.9 μ 。磨料細度對最終效果影響頗大，在修變作業中不必考慮是否完成粗糙腐蝕處理，可直接對其進行操作，且整齊度符合要求，經分析后發現，超聲作業造成損傷層約為25 μ。同時損傷層面超出噴射性作業的2.5 μ。基于此，拋光余量設定應提升，為后期拋掉奠定基礎。

3.4 擺片精磨及拋光作業

擺片拋光方法與常規光學平面的拋光操作非常相近，但其自身特點也較為明顯。

（1）片子能夠呈現相對的溝槽形狀，容易發生變形，不能采用光膠進行上盤作業。

（2）完成拋光作業后，要對其腐蝕程度進行檢測，以保證不發烏為主，也不能存在任何大小不一的刮痕等。

（3）片子平行度一般小于0.007 mm。

（4）片子結構及厚度較薄，主要在上盤操作中極易出現變形情況。

通過試驗分析，片子經拋光作業后極易出現腐蝕情況，且片子平行度誤差也會出現，會對零構件的使用周期及穩定性造成影響。腐蝕情況出現是由于表面打磨中的變質去除不徹底，所以不能采用普通的拋光方式，應針對性處理。而平行度問題主要是在浮膠上盤法中，厚度為0.02～0.03 mm的膠層處于片子底部，該膠層具備黏度，加之片子厚度為0.8 mm左右，很難讓片子與墊板平行貼合。因此，對此問題需格外重視。

3.5 膜片金屬化工藝

膜片金屬化主要涉及蒸鍍電極、孔二者的金屬化作業。根據常規經驗，該蒸鍍電極選擇的材料是鉻金粉，該材料可靠而穩定。蒸鍍電極作業直接關乎壓力傳感器的連接性能，是整個石英壓力傳感器的關鍵管控點。一旦電極蒸鍍發生不牢靠等情況，會嚴重影響傳感器的運作壽命。在研究中，通常膜片上的鉻層不容易發生脫落，易脫落的反而是金層。研究發現，影響其牢固程度的主要因素為膜片的烘烤溫度、蒸發速度。因此，要解決金層容易脫落的問題，只要調整合適的蒸發速度與溫度即可。

同時，在腐蝕平橋掩膜設計中，梯形槽寬度t要對側向腐蝕系數A進行充分考慮。因此，需對A的數值進行明確。當t=2.50 μm，在45 ℃的HF ∶CH3COOH=9 ∶4的溶液中進行測試，數據見表1。

表1 實驗數據

3.6 相關封接技術及方法

周邊封接技術及方法的合理運用對提升整個設計工藝十分關鍵。首先，封接技巧較多，在具體應用中可選擇性采納，如靜電模式封接方法、焊接封接方法、激光模式封接方法等。其中，最為有效的就是等離子模式焊接方式。該方式具有很多優勢，其弧能束較為緊湊集中，焊接效率較高；在特定情況下電弧也較為平穩，可對相對細小的細絲進行焊接；并可對石英玻璃的局部進行快速熔融，能快速實現焊接。選擇柔性弧焊方式可最大程度減輕沖擊影響。

另外，在與焊接相關的熱應力計算中也要格外注意。應對等離子焊接技法在傳感器中的應用進行分析，選擇高溫熔融的方式對其進行處理。但通過試驗分析后發現，此時膜片位于中心部位的電極溫度達數百攝氏度，極易發生蒸鍍電極脫落。基于此，若選擇增加冷卻模式，則會導致傳感器在焊接中發生熱應力提升等問題。如傳感器在運行中可能出現裂紋，這種情況就是熱應力提升導致的。分析后發現，焊接過程中的溫度梯度會導致熱應力發生。處理方式是去應力并退火，主要流程為加熱、保溫、慢冷、快冷等。

4 效果分析

第一，提升測量精度與生產效率。通過對該后置處理設計進行實踐及測試，發現其整體運行能力較為穩定，可靠性較好，不存在相繼沖擊與干擾情況。

第二，控制成本投入及消耗。通過對石英壓力傳感器制造工藝的研究，在實際實踐后發現，其具有較高的價值，主要體現在成本投入控制與消耗降低方面。傳統模式中成本投入較高，且增產增效、提升加工質量的效果較差。從綜合成本投入層面分析，傳統石英壓力傳感器制作工藝存在諸多漏洞。本次設計研究的系統成本投入相對較少，后期追加投入不高，具有一定的可持續性應用與使用周期，通過對各消耗層面進行統計分析，本設計系統具有低消耗、節省成本的作用。

5 未來展望

5.1 加強傳感器技術人才隊伍建設

石英壓力傳感器的結構設計和制造工藝研發的前提是人的作用的發揮，缺乏人的功能介入，容易導致傳感器研發斷層。因此，要最大限度提升專業化傳感器人才培養與技術培訓。第一，全面提升傳感人員專業能力，將專業化、職業化作為人才培養方向，對相關人才進行專業培訓。第二，提升結構設計人員核心素養及職業道德，構建崗位責任機制，樹立研發性職業思維，全面落實各項傳感器研發任務及工作。第三，人才吸引應從內部培養、外部招聘等層面入手，對人才的多樣化進行詮釋，最大限度實現對人才的發現與應用。

5.2 科學應用傳感器制造技術

在傳感器技術應用方面，一定要充分注重產品的質量控制，將質量控制的時效性充分發揮。可采用創新思維、開發創作的方式，對不同類型傳感器在不同領域中的應用發揮進行詮釋，這樣才能在最短時間內達到提升產品質量的目的。第一，傳感器技術應用要科學、合理。在石英壓力傳感器設計過程中，要對各種傳感器技術進行匯總分析，快速處理影響測量質量的主要問題。第二，認真研發傳感器技術，在技術管控中要對產品研發過程的質量意識進行深化，并對技術資源等進行合理配置，為提升測量效率與質量打下基礎[8]。

6 結論

石英壓力傳感器作為諸多領域及產業重要應用技術，其重要性不言而喻，本文系統全面地對石英壓力傳感器的結構設計和制造工藝進行闡明，對不同階段的結構設計流程、制造工藝要點等進行具體概述，起到完善實踐操作與理論學術參考作用。同時，石英壓力傳感器的結構設計和制造工藝不是簡單流程，而是更為科學合理的系統布局，從石英壓力傳感器應用領域到結構設計標準本文都進行了詳細論述，為日后相關理論研究與實踐應用提供參考幫助。