壓力開(kāi)關(guān)傳感器

　　梁峭，孫?，|，郭麗娟

　　(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110043)

　　1 引 言

　　隨著(zhù)傳感器技術(shù)的發(fā)展，功能集成化和結構小型化或一體化則成為傳感器的主要發(fā)展趨勢之一。壓力開(kāi)關(guān)傳感器的研制就是將功能單一的機械式壓力開(kāi)關(guān)與壓力傳感器結構小型化、功能集成化，使二者在同一個(gè)壓力腔內能夠同時(shí)提供開(kāi)關(guān)信號和連續電信號。該壓力開(kāi)關(guān)傳感器研制要突破一體化結構、小型傳感器設計及機械壓力開(kāi)關(guān)等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，解決涉及多門(mén)學(xué)科相互交叉的綜合技術(shù)。

　　2 結構設計

　　為了實(shí)現機械壓力開(kāi)關(guān)與傳感器一體化結構的要求，二者必須位于同一壓力腔體中。如果沒(méi)有體積尺寸和重量的限制，傳感器與壓力開(kāi)關(guān)只需平行排列就可以。但在較小結構空間內，我們擬將傳感器與壓力開(kāi)關(guān)的感壓膜片面對面安裝在同一壓力腔內，共用同一個(gè)壓力接口與信號接插件。能夠同步感受外部傳遞的壓力，并同時(shí)提供階越信號與連續電信號。該結構外殼為不銹鋼材料，整體設計采用固體硬連接，利用氬弧焊、電阻焊和電子束等多種體連接方法實(shí)現傳感器結構內無(wú)可動(dòng)部件，強化傳感器抗壓、抗振、抗沖擊特性。圖1，2為傳感器一體化結構圖。

　　傳感器輸出的毫伏信號需要經(jīng)過(guò)放大電路轉化成0～5 V標準信號輸出。根據使用要求將電路板設計安裝在電路盒體內，電路盒的結構設計如圖3所示。外殼采用金屬鋁材料，表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化，電路板經(jīng)過(guò)固定安裝后，電路盒四周采用密封處理，輸出信號通過(guò)電連接器與外部?jì)x表連接。

　　2.1 小型壓力傳感器設計

　　壓力傳感器的工作原理選擇擴散硅壓阻工作機理。將構成惠斯登電橋的四個(gè)擴散硅電阻對稱(chēng)設計在彈性體的正負應變區上，擴散硅電阻隨被測介質(zhì)的壓力增加而增加或減小，造成惠斯登電橋的不平衡電壓與被測壓力成線(xiàn)性變化。圖4為傳感器惠斯登電橋。

　　基于一體化結構設計壓力傳感器的敏感器件和芯體采用微小型化，與壓力開(kāi)關(guān)形成上下配套結構，形成一體化設計。圖5為傳感器小型體芯結構。傳感器設計利用自主開(kāi)發(fā)的傳感器計算機輔助設計應用技術(shù)進(jìn)行，使用ANSYS有限元分析平臺軟件和CV機械設計軟件及數據庫的數據資料，建立合理適用的傳感器數學(xué)模型。傳感器結構進(jìn)行全固態(tài)設計，敏感芯片與玻璃之間、玻璃與金屬導壓管之間連接采用靜電封接(圖6)，燒結座、導壓管、膜片及焊環(huán)之間采用氬弧焊接或電子束焊接，有效地避免了膠粘等軟連接對傳感器性能的影響，同時(shí)提高了芯體的穩定性和可靠性。同時(shí)利用貼片或厚膜電阻網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，采用全溫區的兩點(diǎn)和三點(diǎn)補償方案，對傳感器的零點(diǎn)失調電壓、零點(diǎn)和靈敏度的熱漂移進(jìn)行二次溫度補償。

　　傳感器制作是在沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院傳感器國家工程研究中心的硅基力敏器件工藝線(xiàn)和傳感器裝配流水線(xiàn)中進(jìn)行，關(guān)鍵的生產(chǎn)設備和精密儀器均是1997年以后引進(jìn)的，制造技術(shù)主要由半導體平面工藝、微機械加工技術(shù)和微電子集成電路技術(shù)融合構成。

　　2.2 機械壓力開(kāi)關(guān)設計

　　壓力開(kāi)關(guān)工作原理采用金屬膜片方式，功能結構如圖7所示，其中觸點(diǎn)1為固定觸點(diǎn)，通過(guò)金屬彈簧片懸浮同定；觸點(diǎn)2為可動(dòng)觸點(diǎn)，經(jīng)特殊工藝焊接在金屬彈性膜片中央，金屬彈性膜片再通過(guò)密封被同支在壓力接口內。在壓力作用下，金屬膜片在彈性形變的范同內發(fā)生形變，通過(guò)圓心支桿，變形膜片帶動(dòng)開(kāi)關(guān)的可動(dòng)觸點(diǎn)沿軸向上下移動(dòng)與固定觸點(diǎn)相觸?？蓜?dòng)與固定觸點(diǎn)之間的距離根據壓力量程設定固化，通過(guò)彈簧片觸點(diǎn)與接線(xiàn)端子實(shí)現電連接。裝配中使用的絕緣材料采用新型的高溫絕緣材料，觸點(diǎn)采用特殊金屬材料自行制作，裝配和調校利用特制的工裝和定位夾具。

　　2.3 信號電路設計

　　根據使用需要，壓力開(kāi)關(guān)傳感器要求輸出0～5 V信號及高低電平的開(kāi)關(guān)量信號，電路設計原理框圖如圖8所示。

　　該電路設計主要分三大部分：第一部分為傳感器信號放大電路，設計方案采用儀用放大電路(如圖9)，該電路將傳感器輸出的毫伏信號放大至0～5 V輸出，形成標準的電壓信號；第二部分為開(kāi)關(guān)設定電路，設計方案采用電壓基準及精密電阻器構成模擬傳感器，通過(guò)調節精密電阻器阻值來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)電壓的設定；第三部分為電壓比較電路，該電路功能是將傳感器輸出的信號與開(kāi)關(guān)設定電壓信號進(jìn)行比較輸出高低電平的開(kāi)關(guān)量，設計方案采用運算放大器構成電壓比較器(如圖10)，當傳感器輸出的信號臨界于開(kāi)關(guān)設定信號時(shí)，比較器就進(jìn)行電壓比較，輸出高低電平的開(kāi)關(guān)量信號。

　　3 可靠性設計

　　3.1 壓力傳感器可靠性設計

　　采用自主開(kāi)發(fā)的制造工藝，抑制和減小傳感器的時(shí)漂和溫漂，保證傳感器高穩定性和低溫度漂移；采用自主開(kāi)發(fā)的多層材料的靜電封接技術(shù)，對硅片-玻璃、玻璃-金屬導壓管的封接，實(shí)現壓力傳感器內部無(wú)可動(dòng)部件，保證傳感器抗沖擊、抗振動(dòng)；采用自主開(kāi)發(fā)的硅油充灌技術(shù)，保護傳感器內部芯片，隔離被測介質(zhì)，保證充灌保護液后的傳感器精度和溫漂達到技術(shù)指標要求

　　3.2 機械壓力開(kāi)關(guān)可靠性設計

　　膜片的設計采用不對稱(chēng)的方式，保護采用仿形基座來(lái)限制膜片的過(guò)載位移；裝配過(guò)程增加膜片與仿形體耦合工序，保證膜片經(jīng)過(guò)數次過(guò)載后的重復性；膜片及觸點(diǎn)采用特殊金屬材料，加工制作采用特殊工藝，保證使用壽命；采用非連續微間隙調整方法，觸點(diǎn)進(jìn)行高溫固化，保證開(kāi)關(guān)動(dòng)作精度及穩定性。

　　3.3 信號電路可靠性設計

　　有源電子器件遵循功率降額使用原則；電子元器件經(jīng)過(guò)老化篩選，保證器件的可靠性；電路板裝經(jīng)過(guò)“三防”處理，增強耐鹽霧、防霉菌的性能。

　　4 結 語(yǔ)

　　壓力開(kāi)關(guān)傳感器的許多設計和研制使用多種金屬和非金屬材料，許多設計和主要研制內容是首次和全新的，研制流程經(jīng)過(guò)50多道工序，涉及多門(mén)學(xué)科相互交叉的綜合技術(shù)。該壓力開(kāi)關(guān)傳感器整機結構緊湊、精度、過(guò)載倍數和可靠性高，觸點(diǎn)動(dòng)作誤差和溫度系數小，無(wú)論是其開(kāi)關(guān)功能還是傳感器性能的指標要求均高于單一功能類(lèi)的產(chǎn)品。