低溫壓力傳感器的研制

姚東媛++謝勝秋++王俊巍

【摘 要】介紹了低溫絕壓傳感器的研制過程，采用鈦合金-硅-藍(lán)寶石、陶瓷密封組件、低溫電纜、插針連接等，通過材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，提高傳感器整體耐低溫的能力和絕壓腔密封可靠性。研制出量程為（0～500）kPa、精度不大于0.2%FS、熱漂移不大于0.03%FS/℃、工作溫度范圍為（-100～200）℃的低溫壓力傳感器，可用于電離性、腐蝕性高低溫介質(zhì)壓力的直接測量。

【Abstract】The paper introduces the development process of low temperature absolute pressure sensor， titanium alloy-silicon-sapphire， ceramic sealing component， low temperature cable and pin connection are used in the sensor. Through the material selection， structure design and optimization， the overall low temperature tolerance and the absolute pressure sealing cavity reliability of the sensor are improved. A low temperature pressure sensor with a range of （0～500） kPa， a precision of no more than 0.2%FS， a thermal excursion of no more than 0.03%FS/ DEG C， and a range of operating temperature of （-100～200） DEG C was developed， the sensor can be used for the direct measurement of the pressure of ionizing and corrosive high or low temperature media.

【關(guān)鍵詞】硅-藍(lán)寶石；低溫；絕壓；傳感器

【Keywords】 silicon-sapphire；low temperature；absolute pressure；sensor

【中圖分類號】S951.4+3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0179-03

1 引言

可用于制作低溫壓力傳感器的材料主要包括：濺射薄膜、SOI和硅-藍(lán)寶石。濺射薄膜壓力傳感器是利用AI2O3或SiO2隔離金屬電阻體應(yīng)變效應(yīng)制作的，具有溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，但靈敏度較低，有相關(guān)文獻(xiàn)介紹，最低工作溫度為

-200℃；SOI壓力傳感器采用SiO2介質(zhì)隔離硅壓阻效應(yīng)制作的，有相關(guān)產(chǎn)品介紹，最低低溫工作為-195.5℃，具有體積小、精度高等特點(diǎn)，但不適合電離性、腐蝕性氣體或液體壓力的測量；硅-藍(lán)寶石壓力傳感器采用AI2O3介質(zhì)隔離硅壓阻效應(yīng)制作的，具有耐高低溫、可靠性高等特點(diǎn)，有相關(guān)文獻(xiàn)介紹，藍(lán)寶石材料最低工作溫度為-270℃。采用這些材料可以制作耐低溫壓力傳感器，但傳感器的整體耐低溫結(jié)構(gòu)和封接設(shè)計(jì)是其能長期在低溫下工作的關(guān)鍵。國外在低溫壓力傳感器產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)化水平，我國的低溫壓力傳感器受材料和工藝水平限制與國外同類產(chǎn)品的水平尚存在差距[1]。

本文針對可用于低溫壓力傳感器絕壓密封和低溫工作可靠性的問題，基于國產(chǎn)原材料耐低溫能力和工程化水平，進(jìn)行耐低溫材料和結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)，研制能在電離性、腐蝕性低溫介質(zhì)中長期工作的硅-藍(lán)寶石低溫壓力傳感器。

2 傳感器結(jié)構(gòu)

低溫壓力傳感器是依據(jù)硅壓阻效應(yīng)原理，采用硅-藍(lán)寶石介質(zhì)耐低溫材料制成的[2]。為了提高傳感器的可靠性，壓力-應(yīng)變彈性元件是鈦合金金屬膜片和藍(lán)寶石復(fù)合結(jié)構(gòu)，鈦合金材料在低溫條件下拉伸變形能力有明顯的提高、另外鈦合金具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，因此鈦合金-硅-藍(lán)寶石壓力傳感器可用于測量電離性、腐蝕性低溫介質(zhì)壓力。傳感器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。傳感器由壓力敏感組件、密封組件、引壓接口、信號引出線組成。膜片的形變通過硅-藍(lán)寶石壓力敏感芯片上的惠斯登電橋的電阻變化將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。通過密封組件和真空焊接工藝裝配，形成背面感壓、正面密封的密封真空參考腔，實(shí)現(xiàn)絕壓傳感器的封裝。

鈦合金彈性膜片包括雙E型、E型和C型結(jié)構(gòu)，通過選擇膜片形式、改變彈性膜片的厚度等可以設(shè)計(jì)出用于不同量程的壓力敏感組件。量程為（0～500）kPa的傳感器，為了提高傳感器的線性、靈敏度一般采用E型雙金屬膜片結(jié)構(gòu)。壓力敏感組件由上、下金屬膜片和硅-藍(lán)寶石壓力敏感芯片組成，上、下膜片由鈦合金材料制成彈性膜片在壓力作用下產(chǎn)生形變；下膜片承受均布力，下膜片中心位移通過中間剛性連接桿傳遞給上膜片，上膜片承受集中力，通過E型雙金屬膜片結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓力-應(yīng)力線性轉(zhuǎn)換。首先根據(jù)理論、綜合考慮抗過載等因素的影響進(jìn)行彈性膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要保證傳感器彈性膜片上應(yīng)變電阻位置的最大徑向應(yīng)變輸出應(yīng)為（350～500）με，該應(yīng)變值為半導(dǎo)體理想彈性應(yīng)變范圍，確定膜片的結(jié)構(gòu)和尺寸；然后采用有限元分析方法模擬分析該彈性膜片結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對彈性膜片實(shí)體建模，合理劃分網(wǎng)格，保證計(jì)算的收斂性，綜合考慮靈敏度、線性度及可靠性方面因素，模擬分析驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)可行性，理論、實(shí)踐和模擬分析相結(jié)合確定膜片的最佳結(jié)構(gòu)[3]。圖2給出E型雙膜片結(jié)構(gòu)和有限元分析結(jié)果。

■

圖1 傳感器的結(jié)構(gòu)圖

■

a） 雙“E”型膜片結(jié)構(gòu) b） 膜片的徑向、切向應(yīng)變曲線endprint

圖2 彈性膜片結(jié)構(gòu)及受力分析

3 低溫失效分析

硅壓力傳感器一般采用電纜的輸出方式，這種連接方式在低溫下使用存在以下失效和降低可靠性的情況：

①絕壓腔低溫密封失效；

②在低溫環(huán)境下使用會(huì)出現(xiàn)芯片表面和產(chǎn)品內(nèi)部有大氣冷凝、出現(xiàn)結(jié)冰等，從而導(dǎo)致產(chǎn)品絕緣下降甚至失效；

③電纜的絕緣材料在低溫下會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂，可導(dǎo)致線纜斷裂或內(nèi)導(dǎo)體與屏蔽短路等問題；

④內(nèi)部如使用焊錫進(jìn)行線纜焊接，在低溫條件下長期使用會(huì)變脆，導(dǎo)致電氣連接虛焊或失效。

針對這些問題需要進(jìn)行壓力傳感器的耐低溫設(shè)計(jì)、防止低溫失效，提高傳感器的可靠性。

4 低溫設(shè)計(jì)

4.1 絕壓密封

絕壓傳感器的關(guān)鍵是絕壓密封參考腔的設(shè)計(jì)和制作，是其穩(wěn)定工作的保證；另外，采用絕壓封裝可以防止芯片表面大氣冷凝、出現(xiàn)結(jié)冰等導(dǎo)致產(chǎn)品絕緣下降甚至失效的問題。密封組件用于內(nèi)外引線的轉(zhuǎn)接和密封，Al2O3陶瓷材料制作基座，陶瓷側(cè)面合金化后陶瓷與其它金屬有良好的可焊性，引線柱采用4J29可伐合金，陶瓷、可伐合金、過渡鈦合金外環(huán)之間通過銀銅焊料封接[4]。表1給出了密封組件上所用材料的線脹系數(shù)，選擇熱脹系數(shù)相近的材料，合理設(shè)計(jì)的各部分結(jié)構(gòu)、利用材料之間的熱特性，減少各結(jié)構(gòu)間的應(yīng)力，經(jīng)高溫釬焊后可使密封組件各結(jié)構(gòu)之間處于緊密連接狀態(tài)、具有密封性能。測試結(jié)果表明：這種結(jié)構(gòu)的密封組件漏率高于1*10-9Pa·m2/s，經(jīng)過長期高、低溫試驗(yàn)后漏率不降低，即可保證絕壓傳感器真空參考腔的密封性。

4.2 信號引出

由于工作溫度低，傳感器的信號引出部分也需要耐低溫，設(shè)計(jì)采用密封組件和耐低溫線纜進(jìn)行電氣連接，線纜在低溫條件下要仍能保持良好的彈性和彎曲性能。當(dāng)電纜和導(dǎo)線的絕緣材料和護(hù)套材料采用交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物材料（X-ETFE），這種材料的電纜和導(dǎo)線低溫工作溫度為-100℃，能夠滿足低溫使用要求。

不采用焊錫進(jìn)行線纜與密封組件管腳間的連接，而是借鑒壓接式連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用銅彈簧插針進(jìn)行電氣連接；采用壓接工藝連接插針與電纜導(dǎo)線、插針再與密封組件管腳的連接，為提高彈簧插針與管腳連接的可靠性，采用點(diǎn)焊工藝將兩者固定在一起，從而實(shí)現(xiàn)傳感器信號引出。另外，為防止裸露的導(dǎo)線、管腳等電氣連接部位在低溫時(shí)出現(xiàn)大氣冷凝的情況，在這些部位涂低溫膠進(jìn)行防護(hù)。

5 測試結(jié)果

表2給出了傳感器低溫-100℃、室溫和高溫200℃的精度，以及-100℃～200℃溫度范圍內(nèi)熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移數(shù)據(jù)。從表2中可以看出，在低溫和高溫條件下沒有影響傳感器性能，精度仍保持在0.2%FS以上，在-100℃～200℃溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定性達(dá)到0.03%FS/℃，傳感器能夠滿足高、低溫的寬溫區(qū)工作要求。對該產(chǎn)品進(jìn)行了-100℃和200℃高低溫連續(xù)240小時(shí)加電試驗(yàn)，試驗(yàn)后傳感器的精度仍能達(dá)到0.2%FS，表明該傳感器可以滿足高低溫長期工作的要求。

6 結(jié)語

在低溫絕對壓力傳感器研制中，采用鈦合金-硅-藍(lán)寶石、陶瓷密封組件、低溫電纜、插針連接等耐低溫材料和結(jié)構(gòu)，解決了該傳感器耐低溫和絕壓密封可靠性等技術(shù)難題。研制出量程為（0～500）kPa的低溫絕壓傳感器，精度不大于0.2%FS、熱漂移不大于0.03%FS/℃、工作溫度范圍為（-100～200）℃，可用于高低溫電離性、腐蝕性低溫介質(zhì)壓力的直接測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、高低溫工作可靠等特點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】Toshiyuki Nakamura， Hideaki Matsuhashi. Silicon on Sapphire （SOS） Device Technology. Oki Technical Review[J].2004，71（4）：67-69.

【2】Y.Nagatomo， R.E.Reedy. Latest Trends of SOS （Silicon on Sapphire） Technology，Denshi Zairgo[J].2003，42（5）A：1-8.

【3】李科杰，等.新編傳感器技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版，2002.

【4】張喜燕，趙永慶，等.鈦合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.endprint