一種超高壓力傳感器感應(yīng)元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫鐵鋼，何燕君，王豐，魏慶山，劉東，王瑞平

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

引言

壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：汽車、醫(yī)療、管道傳輸?shù)?。量程是衡量傳感器能力的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其是超高壓力傳感器，結(jié)構(gòu)及工藝穩(wěn)定性要求非常高。決定傳感器測(cè)量量程關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為帶膜片的金屬支撐結(jié)構(gòu)和背面貼裝的芯片，而金屬膜片部分設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)一切功能的基礎(chǔ)。滿足產(chǎn)品性能的同時(shí)還要兼顧可制造性、成本、良率、生產(chǎn)周期和結(jié)構(gòu)尺寸可測(cè)量性等諸多因素。當(dāng)前多為宏觀評(píng)價(jià)傳感器的基本性能及應(yīng)用，但針對(duì)于超高壓力傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏研究。本文就超高壓力（＞300Mpa）傳感器敏感元件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)討論。主要討論承載壓力膜片部位結(jié)構(gòu)尺寸和螺紋頭部密封端面附近的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺紋管是承載壓力的關(guān)鍵部件，發(fā)生在膜片部位的應(yīng)力應(yīng)變會(huì)傳導(dǎo)到貼在其背面的硅應(yīng)變片上，應(yīng)變片以玻璃微熔方式將敏感元件貼在金屬薄膜上，因此將金屬膜片的應(yīng)變視為等效傳遞到應(yīng)變片上。應(yīng)變片會(huì)集成到處理電路中，進(jìn)行運(yùn)算放大得到被測(cè)信號(hào)與輸出電壓之間的關(guān)系。通常的放大倍數(shù)有幾百倍甚至上千倍。物理上的微小變化通過(guò)放大后都會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品精度。基于以上這就要求螺紋管和硅應(yīng)變片的敏感元件滿足以下條件：外形小巧、密封良好、耐腐蝕、容易安裝、安裝扭矩影響小、對(duì)壓力影響敏感、機(jī)械特性穩(wěn)定、非線性誤差小。

圖1 敏感元件結(jié)構(gòu)

（1）頭部：如圖1 膜片主要是將介質(zhì)壓力轉(zhuǎn)化成應(yīng)變/應(yīng)力，是影響傳感器精度和性能最關(guān)鍵的因素。頭部包含三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：膜片厚度，內(nèi)徑和內(nèi)部倒圓角。這三個(gè)參數(shù)決定傳感器壓力測(cè)量范圍、壓力線性度和敏感度。內(nèi)控導(dǎo)圓角直接影響應(yīng)變/應(yīng)力在膜片上的分布。除此之外頭部外徑和厚度同樣會(huì)影響應(yīng)變的分布。

（2）頸部：會(huì)隔絕安裝帶來(lái)的影響傳遞到膜片部位，如圖1 頸部厚度和高度影響隔絕效果。頸部越長(zhǎng)越薄隔絕效果越明顯。頸部厚度設(shè)計(jì)通時(shí)影響傳感器承受最大壓力。其外徑對(duì)壓力非線性度有一定影響。

（3）肩部：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定于生產(chǎn)制造和組裝過(guò)程。同時(shí)也決定了傳感器的外輪廓和基礎(chǔ)棒材的選擇。裝配扭矩會(huì)作用于肩部傳遞到傳感器本體上去。

（4）密封部位：傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)以及依靠橡膠等彈性體的密封形式很難承受如此大的壓力。金屬對(duì)金屬密封是很好的解決方案。傳感器所用螺紋管材料為17-4 熱處理不銹鋼，硬度＞37HRC.所以對(duì)配結(jié)構(gòu)通常選擇比較軟的材料。當(dāng)兩者裝配到一起的時(shí)候。硬度較小的一端發(fā)生塑性變形。兩者完全貼合，同時(shí)塑性變形能夠彌補(bǔ)金屬表面由于加工帶來(lái)的缺陷。從而提高密封性能。同時(shí)由于對(duì)配結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，因此金屬對(duì)金屬密封最好不要多次拆卸。該密封方式對(duì)裝配過(guò)程要求較高。

2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（1）爆破壓力設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中：σmax——爆破壓力時(shí)最大應(yīng)力準(zhǔn)則

σb——17-4 為本螺紋管的材料1165Mpa

fb——為安全系數(shù)，通常推薦fb＞ 1.1

（2）疲勞應(yīng)力設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中：σmax——滿量程下軸向最大應(yīng)力

σf——疲勞強(qiáng)度，應(yīng)用馮氏應(yīng)力替代此值

fb——為安全系數(shù)，通常推薦fb＞ 1.2

材料的疲勞強(qiáng)度受材料的表面質(zhì)量系數(shù)，可靠性系數(shù)影響。此次分析不考慮溫度系數(shù)影響。循環(huán)次數(shù)按照1000 萬(wàn)次[1]評(píng)估，同時(shí)假設(shè)每次壓力波動(dòng)都是有0bar 壓力至滿量程，σf的參考值為430Mpa。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 螺紋管設(shè)計(jì)

結(jié)合生產(chǎn)制造易加工性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜所帶來(lái)的成本提升和模擬分析時(shí)間成本等以下9 個(gè)參數(shù)（圖2）將作為重點(diǎn)分析尺寸：①膜片厚度，②內(nèi)控導(dǎo)圓角，③內(nèi)孔直徑，④頭部頂端高度，⑤安裝凸臺(tái)高度，⑥頭部外直徑，⑦膜片頭部外側(cè)厚度，⑧頸部壁厚，⑨應(yīng)變片位置。

圖2 敏感元件關(guān)鍵參數(shù)

3.2 密封部位設(shè)計(jì)

唇口密封帶基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)寬度為0.4mm。內(nèi)側(cè)倒角是應(yīng)力集中的主要區(qū)域，應(yīng)力集中是影響壽命的關(guān)鍵部位。當(dāng)金屬表面由于加工產(chǎn)生的缺陷以及金屬在冶煉及成形過(guò)程中的夾雜形成時(shí)，集中應(yīng)力會(huì)沿著這些缺陷向內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致失效。如圖3 為使集中應(yīng)力最小考慮如下四種方案：

圖3 密封區(qū)域

4 FEA 結(jié)果

通過(guò)模擬分析（圖4）得到頭部頂端高度及安裝凸臺(tái)與傳感器性能非強(qiáng)相關(guān)。兩個(gè)尺寸只要是起到支撐其他傳感器子零件作用，為裝配結(jié)構(gòu)。其他關(guān)鍵尺寸（圖5）如下：

圖4 應(yīng)力應(yīng)變

圖5 關(guān)鍵參數(shù)

圖6 密封區(qū)域

如圖6 密封結(jié)構(gòu)模擬分析顯示過(guò)渡圓角越大產(chǎn)生的應(yīng)力越小。對(duì)于本次設(shè)計(jì)的四種結(jié)構(gòu)都小于材料的壽命允許的最小強(qiáng)度。也就是說(shuō)四種結(jié)構(gòu)都能滿足壽命要求。但是基于各個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用，布置空間及生產(chǎn)制造性限制可以自行選擇。針對(duì)于本結(jié)構(gòu)由于各個(gè)方面均沒(méi)有特殊限制，所以選擇最大圓角0.84mm 結(jié)構(gòu)。這樣更能減小生產(chǎn)時(shí)候表面缺陷帶來(lái)的影響。

5 功能檢測(cè)結(jié)果

在壓力量程范圍內(nèi)不同溫度點(diǎn)檢測(cè)產(chǎn)品功能，結(jié)果如圖7 所示產(chǎn)品功能滿足要求。當(dāng)在常規(guī)工作溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)品性能最優(yōu)異。

圖7 功能檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

在推薦的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下設(shè)計(jì)了一種超高壓力傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)，并確定了詳細(xì)尺寸，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)產(chǎn)品各項(xiàng)性能均滿足要求。