基于玻璃微熔技術(shù)的高壓傳感器開發(fā)

毛亮亮，章柯豪，付忠亮

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江 麗水 323000；2.浙江毅力汽車空調(diào)有限公司，浙江 龍泉 323700）

市面上現(xiàn)有的大部分壓阻式傳感器的工作原理是將外部的信號量轉(zhuǎn)化為傳感器電阻值的變化，再經(jīng)過測量電路輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。壓阻式傳感器應(yīng)用于化工、制造、國防等領(lǐng)域，不僅要求傳感器的量程范圍大、精密度高、抗機(jī)械疲勞性能好，而且要求在較大溫度范圍內(nèi)輸出結(jié)果穩(wěn)定[1]。

車載ESP系統(tǒng)所需的壓力傳感器，如德國BOSCHE壓力傳感器采用了濺射技術(shù)，彈性膜片為不銹鋼材質(zhì)，敏感電路采用離子射合金電阻，這種技術(shù)特別適合在大量程和高溫的情況下使用。濺射薄膜的制備工藝復(fù)雜、制造成本很高。國內(nèi)企業(yè)，雖然通過合作或自主研發(fā)取得了一些研究成果和經(jīng)驗(yàn)，但由于受到技術(shù)封鎖，總體來說與國外還存在差距。

高溫壓力傳感器是ESP系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，掌握傳感器制備的關(guān)鍵技術(shù)可助力關(guān)鍵技術(shù)國有化，有利于我國傳感器行業(yè)進(jìn)步和發(fā)展。傳統(tǒng)情況下，彈性敏感元件和SOI硅力敏傳感器的連接采用有機(jī)膠粘貼工藝，熱穩(wěn)定性差、膠體承受的溫度范圍?。ㄍǔ５陀?00℃）。超出此溫度范圍，膠的顏色會(huì)變深，性能會(huì)急劇惡化，導(dǎo)致控制精度低[2]。并且當(dāng)溫度超過250℃時(shí)，膠體的性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，存在炭化現(xiàn)象，進(jìn)而引起傳感器失效。另外，無機(jī)膠雖然可適應(yīng)的工作環(huán)境溫度范圍大，但是膠體熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于硅、不銹鋼，為了解決無機(jī)膠的此種缺陷問題，本文提出一種玻璃微熔連接的傳感器粘貼制作工藝，可以大大提高傳感器的工作溫度環(huán)境，進(jìn)而進(jìn)一步提升傳感器的耐壓范圍，并保證傳感器在一定精度內(nèi)仍能保持線性輸出特性，增強(qiáng)了非線性校準(zhǔn)能力[3]。

1 傳感器原理

敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是傳感器的基本組成部分，分別完成檢測和轉(zhuǎn)換功能。當(dāng)外部壓力施加到敏感元件時(shí)，會(huì)引起材料電阻率的變化，稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)[4]。半導(dǎo)體電阻值與所受應(yīng)力之間有如下關(guān)系[5]：

式中：R為半導(dǎo)體電阻值；ΔR為半導(dǎo)體電阻值變化量；π1為縱向壓阻系數(shù)，σ1為縱向應(yīng)力；πt為橫向壓阻系數(shù)；σt為橫向應(yīng)力[6]。當(dāng)半導(dǎo)體受到外力的作用時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，同時(shí)載流子的運(yùn)動(dòng)也會(huì)發(fā)生變化[7]。

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

玻璃微熔傳感器主要是由高壓傳感器外殼、壓力端口、PVB芯片板、放大版、轉(zhuǎn)換板、保護(hù)板和接插件等組成的。高壓傳感器外殼的上端設(shè)有接插件，接插件的內(nèi)側(cè)連接有保護(hù)板，保護(hù)板的下端設(shè)有轉(zhuǎn)換板，轉(zhuǎn)換板的底部設(shè)有放大板，放大板的底部設(shè)有PVB芯片板。高壓傳感器外殼的下端經(jīng)過螺母座連接有壓力端口，壓力端口的底部中間設(shè)有壓力進(jìn)口，壓力端口的頂部連接有不銹鋼膜片。當(dāng)采用玻璃微熔技術(shù)時(shí)，通過黏性材料將彈性元件和傳感器的外殼結(jié)合為一體，無焊接工藝，構(gòu)成了全密閉的傳感器內(nèi)部環(huán)境，無需添加硅油，不存在傳感器泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；其可以輸出清晰的數(shù)字信號，適用范圍廣，能承受更高的破壞溫度和破壞壓力。另外采用先進(jìn)的數(shù)字芯片可使傳感器具有較強(qiáng)的補(bǔ)償性能和信號放大功能，極大提高其電磁兼容能力和抗干擾能力，以適用于各種惡劣環(huán)境。

產(chǎn)品剖面圖如圖1所示，包括高壓傳感器外殼1、壓力端口2、PVB芯片板3、放大板4、轉(zhuǎn)換板5、保護(hù)板6、接插件7、電源連接端口8、壓力進(jìn)口9、螺母座10、不銹鋼膜片11、安裝螺紋12。

圖1 傳感器的外形圖

高壓傳感器外殼1為一體化不銹鋼結(jié)構(gòu)，無焊縫連接，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、密封性能好、使用壽命長。壓力端口2的底部外端與接插件7的上端外部安裝螺紋12，方便直接采用螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)固定安裝，使用方便。接插件7的頂部經(jīng)過螺紋連接有電源連接端口8，聚乙烯醇縮丁醛芯片板3、放大板4、轉(zhuǎn)換板5之間均粘接有EVA墊板，方便連接電源，安全可靠，使得安裝放置更加穩(wěn)定，緩沖減震。

1.2 信號處理的模塊設(shè)計(jì)

傳感器信號處理電路板的設(shè)計(jì)是傳感器設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。本次的電路板設(shè)計(jì)有三大特點(diǎn)：（1）電路板占有體積小。傳感器內(nèi)部冗余空間有限，小電路板尺寸有利于縮小傳感器體積。（2）模擬信號的輸入質(zhì)量高。電路板上的元器件的布局和排線會(huì)影響到輸入信號的好壞，合理的布局可以充分高效利用電路板的空間，減少材料浪費(fèi)，優(yōu)化傳感器的性能，并使傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力[8]。為了有效降低信號失真，應(yīng)該盡量消除電路板上元器件之間的電磁干擾，確保模擬信號的質(zhì)量[9]。（3）電路板操作簡單。電路板設(shè)計(jì)除要滿足體積微小的條件，還應(yīng)確保操作簡便。

本文選用的NSA9260芯片是一款符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的高集成度信號調(diào)制器。如圖2所示，NSA9260由主信號測量通道、24位ADC和高精度可變增益儀表放大器組成。通過內(nèi)置單片機(jī)使其支持校準(zhǔn)傳感器的零點(diǎn)、靈敏度的二階溫度漂移和最精確的溫度高三階非線性校準(zhǔn)。NSA9260支持過壓和背壓保護(hù)功能，支持JFET高壓電源，支持模擬電壓輸出和PWM輸出，并且內(nèi)置診斷功能。

圖2 芯片框架圖

2 傳感器加工工藝

2.1 玻璃微熔的連接技術(shù)

玻璃微熔技術(shù)是指將高溫熔化的玻璃纖維作為黏合劑，將不銹鋼的外殼加工件與測量介質(zhì)結(jié)合的一種技術(shù)。該技術(shù)能保證產(chǎn)品內(nèi)部無密封件及焊接，能最大程度消除傳感器泄漏的隱患。電路及感應(yīng)元件在膜片的一側(cè)，測量介質(zhì)在膜片另一側(cè)，與測量介質(zhì)接觸的為不銹鋼材料，產(chǎn)品可以測量各類與不銹鋼兼容的氣體、液體等。

圖3為連接工藝的流程圖。彈性敏感元件和SOI硅力敏原件的連接工藝是傳感器保障其可以承受溫度的關(guān)鍵，防止其超出溫度范圍、快速氧化、膠性能急劇惡化，同時(shí)保障熱膨脹系數(shù)和不銹鋼的差別較小。

圖3 加工流程圖

2.2 敏感芯體微熔工藝

普通的高溫高壓傳感器采用有機(jī)黏接劑將應(yīng)變電阻粘接在基板上，雖可適用于大部分的工作場合，但是存在黏接劑的工作溫度范圍窄的問題，并且隨著溫度的升高，會(huì)出現(xiàn)黏塑性現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力傳感器的反應(yīng)能力遲鈍。而玻璃纖維在250℃時(shí)，仍可保持較好的黏合度和穩(wěn)定性，使壓力應(yīng)變計(jì)和金屬底座有較強(qiáng)的粘接強(qiáng)度，所制成的傳感器密封性好。

2.3 敏感電阻工藝

本文所采用的SOI硅片通過MEMS加工工藝完成敏感電阻的制作，其具有工作溫度范圍廣、絕緣性及工作穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。敏感電阻的“Si/SiO2/Si”結(jié)構(gòu)有效地解決了PN結(jié)在高溫下可能出現(xiàn)的漏電問題。SOI結(jié)構(gòu)如圖4所示：上層由硅構(gòu)成的器件組成；中間層是由SiO2組成的絕緣層；下層為純硅襯底層形成的SOI敏感電阻。敏感電阻的主要加工工藝流程包括硅片清洗、光刻電阻圖形、離子注入、刻蝕電阻、淀積氮化硅保護(hù)膜、金屬引線制作、PAD制作及電阻測試等環(huán)節(jié)。

圖4 SOI硅片結(jié)構(gòu)圖

2.4 整體制備工藝

通過金加工設(shè)備將不銹鋼、銅、鋁、鐵等金屬型材加工成傳感器的金屬基座、外殼件，打磨拋光，用注塑設(shè)備將塑料顆粒注塑成塑料插頭鑲件。通過燒結(jié)爐在金屬基座上實(shí)現(xiàn)玻璃燒結(jié)以及硅片的固定，注意表面顏色處理以及燒結(jié)高溫過程中的防氧化保護(hù)。將PCB板通過點(diǎn)膠機(jī)固定在燒結(jié)好的基座上，再通過邦絲機(jī)實(shí)現(xiàn)硅片與PCB的電氣連接。通過安裝卡座將PCB固定，釬焊實(shí)現(xiàn)PCB與插件的電氣連接。將塑料件與金屬外殼進(jìn)行鉚接固定，通過激光焊、點(diǎn)焊等焊接技術(shù)將金屬基座與金屬外殼件連接成一體。使成品在標(biāo)定系統(tǒng)上、高低溫箱上、壓力控制器上，實(shí)現(xiàn)傳感器的量程、輸出標(biāo)定。再經(jīng)過氣密性測試、常規(guī)/振動(dòng)、高溫低下復(fù)測等工序，對產(chǎn)品進(jìn)行功能全檢，保證性能輸出。篩選合格的產(chǎn)品，在其外殼上運(yùn)用激光打標(biāo)型號、規(guī)格，并簡單包裝入庫。成品如圖5所示。

圖5 玻璃微熔傳感器成品圖

3 實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 霍普金森桿撞擊實(shí)驗(yàn)

霍普金森桿是利用兩個(gè)分離的剛性金屬桿，一個(gè)是固定桿，一個(gè)是動(dòng)桿，沿兩個(gè)桿的軸向進(jìn)行平面撞擊，傳感器就貼在固定桿的平面上。當(dāng)兩個(gè)桿的材料和撞擊速度確定后，就可以計(jì)算出撞擊點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力，從而對貼在撞擊面上的玻璃微熔傳感器進(jìn)行定標(biāo)。

霍普金森桿的測試進(jìn)行了100次，每次安裝3～4個(gè)傳感器，并且在常溫、低溫（-40℃）和高溫（120℃）下完成，獲得惠斯通電橋的輸出差值信號，并且根據(jù)有限元軟件進(jìn)行誤差分析?；菟雇姌蜉敵龅牟钪敌盘栐酱?，說明傳感器的靈敏度越高，所展現(xiàn)的線性度越好。

由表1數(shù)據(jù)可見各個(gè)傳感器都有良好的響應(yīng)，輸出的各個(gè)電壓值成線性，其中由于3號傳感器的內(nèi)阻與其余3只不同，故測出的數(shù)值與其他傳感器有較大差異。根據(jù)比對，計(jì)算輸出誤差為滿量程的3%，控制精度可達(dá)0.1%。

表1 不銹鋼測試數(shù)據(jù)（0.5 MM）

表2所示為傳感器反向漂移測試。通過測試數(shù)據(jù)可知漂移程度較大。針對此問題，需要進(jìn)一步通過補(bǔ)償電路來抑制輸出漂移。

表2 反向漂移

表3所示數(shù)據(jù)為傳感器靈敏度測試數(shù)據(jù)，在測試壓力0～35 MPa范圍內(nèi)，傳感器通過電壓輸出值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，各傳感器靈敏度與預(yù)期相符，可精確輸出信號。

表3 靈敏度

3.2 高溫環(huán)境下玻璃微熔膠體性能測試

為了測試封裝后玻璃膠體的黏連作用，在高溫下進(jìn)行玻璃膠體的性能測試。測試環(huán)境由箱體、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)組成。將傳統(tǒng)有機(jī)膠粘接工藝傳感器和玻璃微熔工藝傳感器同時(shí)放在350℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行拉力測試，測試時(shí)間為1 h。結(jié)果如圖6所示，有機(jī)膠傳感器的破壞拉力平均值約為49.5 MPa，而使用玻璃微熔膠體制成的傳感器的破壞拉力平均值約為79.4 MPa，說明玻璃微熔膠體制成的傳感器有較優(yōu)的黏合性，機(jī)械疲勞影響遲滯好。

圖6 拉力檢測對比圖

4 結(jié)論

高壓傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文采用玻璃微熔技術(shù)，將SOI芯片固化到金屬底座上，其與敏感元件有較好的黏合性。測試數(shù)據(jù)說明該工藝可以提高傳感器精度和延長使用壽命，降低使用者的成本。其他常規(guī)測試表明該傳感器在-40～120℃的工作環(huán)境下輸出誤差小于3%，壓力量程可達(dá)40 MPa，而且尺寸小、精度高，能夠滿足在ESP系統(tǒng)的需求。