基于玻璃燒結(jié)技術(shù)的軌壓傳感器開(kāi)發(fā)

摘 要當(dāng)前硅壓力傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，一般采用正面受壓技術(shù)，例如成本較高的正面充油隔離封裝技術(shù)，或者對(duì)硅表面電路保護(hù)不徹底的正面封膠封裝技術(shù)。本文介紹基于玻璃燒結(jié)技術(shù)的高量程軌壓傳感器的研究開(kāi)發(fā)，高端量程可達(dá)200MPa，實(shí)現(xiàn)軌壓傳感器的國(guó)內(nèi)自主供貨問(wèn)題?！娟P(guān)鍵詞】玻璃燒結(jié) 壓力傳感器 軌壓傳感器

1 前言

傳感器行業(yè)一直由國(guó)際著名的一些企業(yè)在把持。如美國(guó)的霍尼維爾（Honeywell）、德國(guó)的賀力氏（Heraeus）、博世（Bosch）、飛思卡爾（Freescale）、ADI、DIGI、EPC以及美國(guó)的MEMS（精量電子（深圳）有限公司）等。國(guó)內(nèi)也有一些生產(chǎn)傳感器的知名企業(yè)，如新會(huì)康宇、上海飛樂(lè)、西安聯(lián)創(chuàng)、貴州航天電器、潮州三環(huán)、自?xún)x股份等。在產(chǎn)品質(zhì)量及功能方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)還有很大的提升空間。

新會(huì)康宇在傳感器行業(yè)一直致力于自主研發(fā)，開(kāi)發(fā)了基于玻璃燒結(jié)技術(shù)的壓力傳感器，包括適合柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的200MPa高量程軌壓傳感器。該項(xiàng)工作主要包括開(kāi)發(fā)專(zhuān)用硅應(yīng)變計(jì)、開(kāi)發(fā)理想的壓力基座結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)硅應(yīng)變計(jì)與不銹鋼基座的玻璃燒結(jié)工藝。

2 開(kāi)發(fā)壓力傳感器的專(zhuān)用硅應(yīng)變計(jì)

傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。本項(xiàng)目需開(kāi)發(fā)壓力傳感器所需的硅壓力應(yīng)變計(jì)，開(kāi)發(fā)出兩款應(yīng)變計(jì)，一款是多晶硅高溫應(yīng)變芯片，另一款是SOI單晶硅高溫低漂移應(yīng)變芯片。芯片彎管如圖1、2所示。

3 設(shè)計(jì)金屬壓力座結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)細(xì)長(zhǎng)桿過(guò)盈配合加工壓力基座

壓力傳感器的初期精度只能做到0.5%等級(jí)，因此在0.25%級(jí)別領(lǐng)域一直無(wú)法配套使用。一旦攻克這個(gè)難關(guān)，該領(lǐng)域產(chǎn)品的質(zhì)價(jià)比能夠大幅提高，占領(lǐng)更多市場(chǎng)。細(xì)長(zhǎng)桿與基座之間有一定的空隙，裝配的時(shí)候直接用手就能推入進(jìn)去基座，進(jìn)去以后兩者之前還是松動(dòng)的，從而導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)桿并不平衡。就算是推進(jìn)去后是平衡的，但是氬弧焊接后也有可能歪向一邊，原因是焊接時(shí)候金屬熔化再固化，金屬固化收縮的過(guò)程中產(chǎn)生的巨大拉力把細(xì)長(zhǎng)桿拉向一邊。細(xì)長(zhǎng)桿不平衡，無(wú)法保證基于微熔技術(shù)新工藝壓力傳感器的加工質(zhì)量，加工過(guò)程中有絲印玻璃、燒結(jié)應(yīng)變片等關(guān)鍵工序會(huì)影響傳感器的精度。假如細(xì)長(zhǎng)桿本來(lái)就不平衡，壓力傳感器的生產(chǎn)加工過(guò)程就無(wú)法保證玻璃、應(yīng)變片等燒結(jié)在壓力膜片正中心的位置。因此肯定會(huì)影響傳感器的精度、靈敏度等指標(biāo)性能。

根據(jù)以上分析，改進(jìn)的方向主要是想辦法保證細(xì)長(zhǎng)桿焊接后的平衡度。我們?cè)诩?xì)長(zhǎng)桿與基座的配合上面增加過(guò)盈設(shè)計(jì)，通過(guò)過(guò)盈定位兩者之間能夠能到充分的固定作用，就算是金屬高溫熔解固化過(guò)程中產(chǎn)生的巨大拉力也不能產(chǎn)生相對(duì)位移，保證焊接的質(zhì)量。比較特殊的是，使用過(guò)盈配合后，細(xì)長(zhǎng)桿需要用一定的壓力才能推進(jìn)去基座之中。改進(jìn)前后裝配圖對(duì)比如圖3。

針對(duì)該項(xiàng)改進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)行了多個(gè)量程段（3-60MPa）的測(cè)試，每種量程配置20個(gè)傳感器，不同量程下精度的保證率數(shù)據(jù)如下表。對(duì)表格中的數(shù)據(jù)分析后可發(fā)現(xiàn)傳感器的精度比之前有大幅度的提升，并且量程越大效果約明顯。

如表1所示，此項(xiàng)設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到所有細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合，未來(lái)可擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高壓力傳感器的精度。

3.2 通過(guò)應(yīng)力釋放環(huán)提高壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性

樣機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，分體焊接式的壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性相對(duì)較差，樣品放置一段時(shí)間后，就會(huì)有很少部分產(chǎn)品超出要求的±1%誤差范圍。由于焊接氬弧的位置與膜片的距離較短，焊接后殘余的應(yīng)力會(huì)逐漸釋放出來(lái)，并傳遞到膜片，導(dǎo)致壓力膜片變形，表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象就是隨著時(shí)間的推移，壓力傳感器的輸出會(huì)有一定的變化，產(chǎn)品輸出產(chǎn)生偏離。壓力傳感器的脖子長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，容易把焊接應(yīng)力傳遞到壓力膜片，受限于產(chǎn)品尺寸，該結(jié)構(gòu)基于脖子長(zhǎng)度不能再增長(zhǎng)，因此釋放的焊接應(yīng)力容易傳遞到壓力膜片，從而影響傳感器的長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定性。壓力膜片薄，受焊接應(yīng)力釋放的影響很敏感，由于應(yīng)用是1MPa附近的低量程領(lǐng)域，壓力傳感器膜片很薄，受其他外界應(yīng)力的影響很敏感。

根據(jù)以上分析，問(wèn)題存在于焊接應(yīng)力的釋放，傳遞到壓力膜片，從而影響穩(wěn)定性。其中焊接方式和壓力膜片厚度都有各種的限制不好更改。因此改進(jìn)的方向主要是想辦法割斷應(yīng)力的傳遞環(huán)節(jié)，也就是在脖子中間增加一應(yīng)力釋放環(huán)。該設(shè)計(jì)可理解成局部增加了脖子的厚度，這樣可有效隔離焊接應(yīng)力到壓力膜片之間的傳遞，在產(chǎn)品的長(zhǎng)度、材料成本沒(méi)有增加的前提下提高了輸出的穩(wěn)定性。

該改進(jìn)措施在低壓量程產(chǎn)品上進(jìn)行過(guò)跟蹤和效果驗(yàn)證，每種型號(hào)各50個(gè)壓力座，在進(jìn)行了10次的高低溫沖擊后，輸出漂移全部在±0.5%FS以?xún)?nèi)，相對(duì)比改進(jìn)前的傳感器穩(wěn)定性有顯著提高。此項(xiàng)設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到所有一體式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合，只要空間允許就能夠用上去，能夠有效降低焊接應(yīng)力的傳遞，提高壓力傳感器產(chǎn)品的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

4 開(kāi)發(fā)硅應(yīng)變計(jì)與不銹鋼基座的玻璃燒結(jié)工藝

將超薄的硅應(yīng)變計(jì)通過(guò)玻璃燒結(jié)、可靠地連接于金屬壓力座的膜片上、滿足傳感器各項(xiàng)使用性能，這就是玻璃燒結(jié)新工藝生產(chǎn)壓力傳感器方法。

工藝流程為：壓力座前處理、壓力座與應(yīng)變計(jì)的玻璃燒結(jié)（壓力座絲印、燒結(jié)玻璃、壓力座粘放應(yīng)變片、燒結(jié)應(yīng)變片、老化）、壓力座貼電路板、綁定、傳感器保護(hù)、傳感器測(cè)試、傳感器送檢入庫(kù)。生產(chǎn)過(guò)程的玻璃絲印厚度、溫度、時(shí)間控制是玻璃燒結(jié)工藝的一些核心參數(shù)。

在壓力傳感器上采用壓力基座上通過(guò)絲印特定玻璃漿，燒結(jié)玻璃后，在玻璃上粘放應(yīng)變片后再燒結(jié)，一方面體現(xiàn)于所要求的耐壓，即在正常介質(zhì)壓力和通常是3倍的過(guò)載壓力下，要保證足夠的粘接強(qiáng)度和氣密性；另一方面還要滿足測(cè)量的各項(xiàng)性能指標(biāo)，包括線性、重復(fù)性、回差、遲滯等。玻璃燒結(jié)的厚度與產(chǎn)品性能密切相關(guān)，傳感器的量程則主要由壓力座金屬膜片的設(shè)計(jì)和加工厚度決定，不同量程，需加工不同的膜片厚度。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目的主要成果在于開(kāi)發(fā)專(zhuān)用硅應(yīng)變計(jì)、理想的壓力基座結(jié)構(gòu)、硅應(yīng)變計(jì)與不銹鋼基座的玻璃燒結(jié)工藝。設(shè)計(jì)金屬擠壓的密封結(jié)構(gòu)，使壓力傳感器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)快速封裝，并解決了應(yīng)力方面的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)了微熔新工藝技術(shù)在壓力傳感器上的創(chuàng)新應(yīng)用，也是本項(xiàng)目的技術(shù)核心之一，通過(guò)這一技術(shù)可以在市場(chǎng)上保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。改進(jìn)后的壓力傳感器，抗過(guò)載性能大大提高，生產(chǎn)成本顯著降低，適于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；整體結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)緊湊、小型化的封裝，適應(yīng)不同應(yīng)用的需要，顯著豐富和拓寬了小微壓力量程領(lǐng)域、高量程的產(chǎn)品系列，特別適高量程的柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)所需的軌壓傳感器。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭志霞，馮勇建.MEMS接觸電容式高溫壓力傳感器的溫度效應(yīng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013（12）：1141-1147.

[2]唐永旭.Cr-Si系薄膜的制備及超高壓壓力傳感器的研制[D].電子科技大學(xué)，2012.

[3]陳懷溥，王思杰，曹子祥.微晶硅應(yīng)變計(jì)壓力傳感器的研制[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1989（03）：71-74.

作者簡(jiǎn)介

羅小勇（1965-），男，湖南省新化縣人。畢業(yè)于華南理工大學(xué)半導(dǎo)體專(zhuān)業(yè)?，F(xiàn)為新會(huì)康宇測(cè)控儀器儀表工程有限公司電子技術(shù)高級(jí)工程師。

作者單位

新會(huì)康宇測(cè)控儀器儀表工程有限公司 廣東省江門(mén)市 529100