耐低溫氣象壓阻傳感器研制

張 娜，唐 慧，梁 峭，劉 劍，孫?，|

(沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽110043)

0 引 言

應(yīng)用于航天環(huán)控系統(tǒng)空氣流量測(cè)試的壓力傳感器要具備性能穩(wěn)定、體積小、結(jié)構(gòu)可靠等特點(diǎn)，為了滿足要求并提高傳感器對(duì)某些惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，需要對(duì)敏感芯片進(jìn)行涂膠保護(hù)［1］。

應(yīng)用在傳感器上的灌封膠除具有優(yōu)良的電絕緣性、憎水性、耐候性及粘接性外，還要求具有良好的吸振性，達(dá)到保護(hù)傳感系統(tǒng)，以減少外界因素對(duì)傳感器參數(shù)帶來的影響。

本文設(shè)計(jì)制作了一種耐低溫氣象壓阻傳感器，測(cè)試結(jié)果表明:該傳感器性能優(yōu)良，具有實(shí)用價(jià)值。

1 芯片設(shè)計(jì)

采用自產(chǎn)的擴(kuò)散硅壓阻芯片，根據(jù)硅基壓阻效應(yīng)原理，以半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)，在硅片的正面上，對(duì)稱設(shè)計(jì)4 只P型擴(kuò)散硅力敏電阻元件在正負(fù)應(yīng)變區(qū)上，用金屬鋁薄膜連接4 只電阻器形成惠斯登電橋［2］。使用MEMS 技術(shù)的各向異性化學(xué)腐蝕方法，將硅片背面電阻區(qū)腐蝕成μm 量級(jí)的敏感膜片;采用陽極鍵合工藝，將絕緣玻璃圓片與硅晶圓背面剛性連接，作為絕緣和應(yīng)力隔離襯底［3］。擴(kuò)散硅電阻隨被測(cè)介質(zhì)的壓力增加而增加或減小，造成惠斯登電橋的不平衡電壓與被測(cè)壓力呈線性變化。電路原理見圖1。

圖1 惠斯登電橋Fig 1 Wheatstone bridge

2 TO—8 管座的設(shè)計(jì)加工

TO—8 管座結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該結(jié)構(gòu)體積小巧，封裝簡(jiǎn)單，可適用于印刷電路板安裝。

圖2 TO—8 管座結(jié)構(gòu)圖Fig 2 TO—8 socket structure diagram

3 芯片封裝

3.1 封裝材料的選擇

考慮到對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性，敏感芯片采用硅凝膠涂覆保護(hù)。硅凝膠的選擇既要起到隔離保護(hù)作用，又要起到彈性傳遞作用，由膠引起的壓力損耗要非常小;同時(shí)因?yàn)閭鞲衅鞯氖褂脺貐^(qū)要求－55～95 ℃，硅凝膠熱膨脹系數(shù)要小，在低溫條件下要保持彈性良好。根據(jù)以上條件總結(jié)出挑選硅凝膠的基本要求:1)柔軟，針入度大，大于100(1/10 mm);2)熱應(yīng)力小;3)寬的使用溫區(qū)－60～100 ℃;4)低粘度、帶粘性小于1 000 mPa·s;5)透明凝膠狀;6)加成型，無副產(chǎn)物生成，固化后不收縮;7)防潮、絕緣、耐老化、防震、無腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定［4］。

3.2 封裝參數(shù)確定

硅凝膠的厚度是影響傳感器性能的一個(gè)重要的參數(shù)，由于在整個(gè)傳感器封裝中，保護(hù)膠與各種材料之間的熱膨脹系數(shù)不同，溫度循環(huán)后傳感器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響傳感器輸出的準(zhǔn)確性［5，6］。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了涂覆硅凝膠的傳感器與不涂硅凝膠傳感器熱循環(huán)后滿量程輸出，將它們差值對(duì)應(yīng)硅凝膠厚度繪制曲線如圖3，由圖可以看出:硅凝膠越薄對(duì)傳感器輸出影響越小，當(dāng)厚度小于2 mm 時(shí)，硅凝膠厚度的變化對(duì)傳感器輸出影響很小，這個(gè)厚度理論上可以作為硅膠涂敷的工藝參數(shù)，但是在實(shí)際的生產(chǎn)中由于要考慮硅膠材料對(duì)傳感器的保護(hù)性能，因此，硅膠厚度的工藝參數(shù)要從對(duì)傳感器輸出影響最小和能提供足夠的保護(hù)兩個(gè)方面綜合考慮。

圖3 硅凝膠厚度與傳感器性能關(guān)系曲線Fig 3 Curve of relationship between silicon gel thickness and sensor performance

3.3 工藝步驟

1)前烘

任何物質(zhì)表面都會(huì)吸附水分，不但會(huì)降低粘接強(qiáng)度，而且會(huì)使灌封材料的絕緣性惡化，選擇合適的溫度對(duì)器件進(jìn)行烘干驅(qū)潮是必要的。但是，烘干后溫度一旦降到室溫應(yīng)立即封裝，放置時(shí)間一般不超過2 h;否則，會(huì)二次吸潮。

2)配膠與真空脫泡

硅凝膠a，b 組分按比例混合，攪拌均勻，真空脫泡。氣泡的存在除了影響美觀，還嚴(yán)重影響灌封件使用的可靠性，所以，在一定真空度下保持足夠的時(shí)間使氣泡排凈［7］。所用真空干燥箱真空度0.6 kPa 以上，環(huán)境溫度23 ℃左右，抽真空2 h 以上。

3)器件灌封

器件和硅凝膠都準(zhǔn)備好了就開始灌封，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制好每個(gè)器件的膠量。由于器件體積小，涂覆膠厚度薄，灌封后，器件水平靜置20 min 即可脫泡。

4)后烘固化

封裝后的器件擺放整齊，放入烘箱中100 ℃固化2 h。

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)量程為200 kPa 的傳感器進(jìn)行常溫靜態(tài)測(cè)試、高低溫穩(wěn)定性測(cè)試、溫漂測(cè)試［8］，測(cè)試結(jié)果見表1 與表2。

表1 傳感器性能測(cè)試數(shù)據(jù)Tab 1 Test datas of sensor performance

表2 －55～95 ℃?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試數(shù)據(jù)Tab 2 Performance test datas of sensor at －55～95 ℃

測(cè)試結(jié)果顯示:在－55～95 ℃的使用溫區(qū)上，該傳感器常溫靜態(tài)與高低溫性能良好。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)制作的傳感器性能良好，使用溫區(qū)在－55～95 ℃，而相關(guān)廠家傳感器樣本氣象TO—8 型使用低溫極限為－45 ℃。本產(chǎn)品在低溫性能上更有優(yōu)越性，并且制作工藝步驟簡(jiǎn)單、成本低、具有很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 趙懷東，劉文靜.有機(jī)硅凝膠在灌封技術(shù)中的應(yīng)用［J］.航天制造技術(shù)，2002，4(2):37－39.

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［3］ 張治國(guó)，匡 石.方型硅杯力敏器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，1997(8):15－18.

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［8］ 匡 石，林 英，徐廣忠，等.力敏器件自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，1992(1):21－23.