硅壓阻壓力傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

張穎英 鄧勇生 劉濤 高羅強(qiáng)

摘 要：采用硅壓阻敏感芯體制作的傳感器具有較高的精度和較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，被廣泛運(yùn)用于壓力傳感器中。但普通的硅壓阻敏感芯體在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)儀器艙內(nèi)氣體壓力和頭罩部位氣體壓力時(shí)，出現(xiàn)了信號(hào)跳變的異?，F(xiàn)象。通過對(duì)硅壓阻敏感芯體工作原理進(jìn)行分析，以及對(duì)敏感芯體充油工藝的分析，發(fā)現(xiàn)普通敏感芯體信號(hào)跳變是由于芯體在振動(dòng)和低氣壓復(fù)合環(huán)境下內(nèi)部硅油出現(xiàn)了空化現(xiàn)象?？蛇x擇采用高真空的硅壓阻敏感芯體來杜絕芯體內(nèi)部硅油空化現(xiàn)象的發(fā)生，試驗(yàn)證明，該方法可有效解決信號(hào)跳變這一問題。

關(guān)鍵詞：硅壓阻壓力傳感器;敏感芯體;信號(hào)跳變;硅油;空化;振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

采用硅壓阻敏感芯體制作的傳感器具有較高的精度和較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，被廣泛運(yùn)用于壓力傳感器中。我們?cè)谑褂闷胀ü鑹鹤鑹毫鞲衅鳒y(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)儀器艙內(nèi)氣體壓力和頭罩氣體壓力的過程中，出現(xiàn)了壓力傳感器輸出信號(hào)跳變的異?，F(xiàn)象。本文針對(duì)這種異常現(xiàn)象，對(duì)硅壓阻敏感芯體的工作原理、充油工藝過程進(jìn)行了分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)普通敏感芯體出現(xiàn)信號(hào)跳變的原因是芯體在振動(dòng)和低氣壓復(fù)合環(huán)境下，內(nèi)部硅油發(fā)生了空化現(xiàn)象，若采用高真空敏感芯體替代普通敏感芯體，則可以杜絕芯體內(nèi)部硅油空化現(xiàn)象的發(fā)生，從而解決壓力傳感器輸出信號(hào)跳變的異?，F(xiàn)象[1-3]。

1 原因分析

1.1 硅壓阻敏感芯體的工作原理

硅壓阻敏感芯體的實(shí)物及結(jié)構(gòu)如圖1所示。硅壓阻敏感芯體主要由壓力膜片、硅油、硅杯、殼體等組成。膜片用于感受外界壓力，將壓力傳遞到硅油，再由硅油傳遞到硅杯，硅杯在壓力的作用下產(chǎn)生微變形，從而使硅杯上電橋各橋臂的電阻阻值發(fā)生變化，再通過電路檢測(cè)這一變化，輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，從而完成壓力測(cè)量[4-5]。

1.2 敏感芯體輸出信號(hào)跳變的機(jī)理

敏感芯體輸出信號(hào)跳變是由于發(fā)生了空化現(xiàn)象，與敏感芯體充硅油工藝過程有關(guān)。

1.2.1 空化現(xiàn)象及空泡機(jī)理

空化現(xiàn)象是指當(dāng)液體介質(zhì)遭到連續(xù)性破壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓力降低，當(dāng)液體內(nèi)某點(diǎn)壓力降低到臨界壓力以下時(shí)，液體發(fā)生氣化，逐漸匯聚為小氣泡，爾后在液體內(nèi)部或液體與固體的交界面上匯合形成較大的蒸汽與氣體的空腔，成為空泡。液體中存在的氣核（微小氣泡）和壓力降低是空化現(xiàn)象發(fā)生的兩個(gè)必要條件。

查閱資料表明，易于發(fā)生空化現(xiàn)象的典型情況之一為壁面振動(dòng)產(chǎn)生的加在平均壓力場(chǎng)上的震蕩壓力場(chǎng)，在負(fù)震蕩時(shí)可能出現(xiàn)空泡。

1.2.2 敏感芯體充硅油工藝過程壓力敏感芯體充硅油過程如下。

（1）將需要充硅油的工件放入托盤，注油孔應(yīng)盡量垂直向上，關(guān)閉鐘罩。

（2）啟動(dòng)設(shè)備，打開機(jī)械泵1，再緩慢打開預(yù)處理室真空閥開始抽真空操作;打開機(jī)械泵2，再打開旁路閥開始對(duì)充油室進(jìn)行預(yù)抽真空操作，打開真空計(jì)，待真空度達(dá)到（5.0～9.0）×10-1時(shí)關(guān)閉旁路閥，打開前級(jí)閥與分子泵，對(duì)充油室進(jìn)行抽高真空操作，5～10 min后再對(duì)油處理室及充油室進(jìn)行加熱。

（3）待油溫及真空度達(dá)到要求后，打開放油閥，通過透視窗觀察注油過程，應(yīng)注意觀察托盤油位，不可溢出托盤。托盤內(nèi)油位超過傳感器注油孔3～10 mm后，關(guān)閉放油閥。

（4）關(guān)閉預(yù)處理室的真空閥，再關(guān)閉對(duì)應(yīng)的機(jī)械泵1;然后依次關(guān)閉插板閥、分子泵，待分子泵轉(zhuǎn)速為零后，關(guān)閉前級(jí)閥和機(jī)械泵2，緩慢打開放氣閥給鐘罩放氣，放氣完畢后觀察托盤內(nèi)油位線應(yīng)超過注油孔，然后升起鐘罩，用干凈的鑷子取出工件。

（5）充油結(jié)束，清理充油室。

（6）充油結(jié)束后，充油件的液位應(yīng)高于或與注油孔平齊，再將密封堵頭的錐頭一端塞入注油孔，將堵頭壓緊，使堵頭的外端面與注油孔外端面平齊。堵頭壓緊后，清理充油件的表面硅油，進(jìn)行焊接密封。

1.2.3 敏感芯體輸出信號(hào)跳變機(jī)理

通過對(duì)充油工藝過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然在充油前對(duì)硅油進(jìn)行了凈化處理，去除了溶解在硅油中的雜質(zhì)氣體，但在利用大氣壓將硅油通過注油孔壓入敏感芯體與將堵頭壓入注油孔并焊接的過程中，有可能存在部分空氣重新溶解于硅油中。如此一來，硅油中就有了氣核（微小氣泡），具備了發(fā)生空化現(xiàn)象的第一個(gè)必要條件。

在振動(dòng)低氣壓復(fù)合試驗(yàn)中，在抽真空完成后（壓強(qiáng)約100 Pa）、振動(dòng)前，芯體內(nèi)部的壓力與外界平衡為100 Pa，施加振動(dòng)條件，硅油在芯體內(nèi)進(jìn)行壁面振動(dòng)，產(chǎn)生震蕩壓力場(chǎng)，在負(fù)震蕩時(shí)，膜片或引線座界面上的壓力遠(yuǎn)低于100 Pa，具備了空化現(xiàn)象的第二個(gè)必要條件—壓力降低。

振動(dòng)試驗(yàn)前，敏感芯體內(nèi)部處于非空化狀態(tài)，即敏感芯體內(nèi)部的硅油與其他界面充分接觸，芯體內(nèi)部的氣體均以氣核的方式存在于硅油中。

振動(dòng)試驗(yàn)開始后，便具備了發(fā)生空化現(xiàn)象的兩個(gè)必要條件，空泡開始形成，進(jìn)入臨界空化狀態(tài)。在該狀態(tài)下，生成的氣泡量比較小，可以通過壓力膜片的微小變形平衡內(nèi)外壓力，因此敏感芯體內(nèi)部的壓力不會(huì)有明顯增加。

振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行一定時(shí)間后，開始進(jìn)入局部空化狀態(tài)，在敏感芯體內(nèi)部的界面上出現(xiàn)成片的空泡，這些空泡會(huì)使敏感芯體內(nèi)部的壓力劇增，而這部分壓力無(wú)法繼續(xù)通過膜片的變形與外界平衡，膜片上應(yīng)力變化明顯，導(dǎo)致內(nèi)部壓力增大，而該壓力作用于硅杯將導(dǎo)致敏感芯體輸出跳變。

對(duì)上述發(fā)生空化現(xiàn)象的兩個(gè)必要條件進(jìn)行分析，硅油中存在的氣核及壁面振動(dòng)導(dǎo)致的壓力降低均具有一定隨機(jī)性，因此壓力敏感芯體發(fā)生空化現(xiàn)象導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)生跳變也具有一定的隨機(jī)性[6-7]。

2 解決方案

2.1 敏感芯體工藝改進(jìn)方案

本方案采用高真空充油芯體，這種芯體的特點(diǎn)是芯體內(nèi)部充的硅油在高真空環(huán)境下經(jīng)過高真空處理，真空度可達(dá)10-3～10-4 Pa。選用這種芯體可以避免空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以解決在低氣壓振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下輸出信號(hào)跳變的問題。

2.2 敏感芯體工藝改進(jìn)前及改進(jìn)后對(duì)比

普通敏感芯體在氣壓值約為100 Pa且施加振動(dòng)環(huán)境后，敏感芯體輸出發(fā)生了跳變，曲線如圖2所示，輸出由0.2 V跳變?yōu)?.5 V，對(duì)應(yīng)壓力值約為6.5 kPa。

對(duì)高真空壓力敏感芯體（量程100 kPa，輸出0～100 mV）進(jìn)行了振動(dòng)及低氣壓復(fù)合試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中敏感芯體未發(fā)生跳變，試驗(yàn)記錄曲線如圖3所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

硅壓阻壓力傳感器在使用普通敏感芯體測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)儀器艙內(nèi)氣體壓力和頭罩氣體壓力時(shí)出現(xiàn)了信號(hào)跳變的異?，F(xiàn)象，我們通過對(duì)硅壓阻敏感芯體的工作原理及充硅油工藝過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)普通硅壓阻敏感芯體在振動(dòng)和低氣壓復(fù)合環(huán)境下，內(nèi)部硅油發(fā)生了空化現(xiàn)象。因此改進(jìn)敏感芯體制作工藝，采用高真空敏感芯體，杜絕空化現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過試驗(yàn)，證明文中所提方案有效解決了硅壓阻壓力傳感器在測(cè)量時(shí)發(fā)生信號(hào)跳變的問題[8-10]。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李曉瑩，張新榮，任海果.傳感器與測(cè)試技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]吳建平.傳感器原理及應(yīng)用[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3]雅各布·費(fèi)雷登.現(xiàn)代傳感器手冊(cè)：原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[4]安躍.壓阻式壓力傳感器性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2017.

[5]周曉宇，張萌穎，杜利東，等.高精度硅壓阻式氣壓傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（4）：97-99.

[6]李旺旺，梁庭，張迪雅，等.SOI壓阻式壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（6）：15-18.

[7]張燕琴，邢維巍，景標(biāo).基于V-F變換的硅壓阻壓力傳感器的處理電路[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，29（2）：161-165.

[8]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T26807-2011硅壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器[S].2011.

[9]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.JB/T10524-2005 硅壓阻式壓力傳感器[S].2005.

[10]尤彩紅.硅壓阻微壓傳感器的設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué)，2009.