壓力開關(guān)傳感器

　　梁峭，孫海瑋，郭麗娟

　　(沈陽儀表科學(xué)研究院，沈陽 110043)

　　1 引 言

　　隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，功能集成化和結(jié)構(gòu)小型化或一體化則成為傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。壓力開關(guān)傳感器的研制就是將功能單一的機(jī)械式壓力開關(guān)與壓力傳感器結(jié)構(gòu)小型化、功能集成化，使二者在同一個(gè)壓力腔內(nèi)能夠同時(shí)提供開關(guān)信號(hào)和連續(xù)電信號(hào)。該壓力開關(guān)傳感器研制要突破一體化結(jié)構(gòu)、小型傳感器設(shè)計(jì)及機(jī)械壓力開關(guān)等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，解決涉及多門學(xué)科相互交叉的綜合技術(shù)。

　　2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力開關(guān)與傳感器一體化結(jié)構(gòu)的要求，二者必須位于同一壓力腔體中。如果沒有體積尺寸和重量的限制，傳感器與壓力開關(guān)只需平行排列就可以。但在較小結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，我們擬將傳感器與壓力開關(guān)的感壓膜片面對(duì)面安裝在同一壓力腔內(nèi)，共用同一個(gè)壓力接口與信號(hào)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(hào)與連續(xù)電信號(hào)。該結(jié)構(gòu)外殼為不銹鋼材料，整體設(shè)計(jì)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(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)無可動(dòng)部件，強(qiáng)化傳感器抗壓、抗振、抗沖擊特性。圖1，2為傳感器一體化結(jié)構(gòu)圖。

　　傳感器輸出的毫伏信號(hào)需要經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)化成0～5 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。根據(jù)使用要求將電路板設(shè)計(jì)安裝在電路盒體內(nèi)，電路盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。外殼采用金屬鋁材料，表面進(jìn)行陽極氧化，電路板經(jīng)過固定安裝后，電路盒四周采用密封處理，輸出信號(hào)通過電連接器與外部儀表連接。

　　2.1 小型壓力傳感器設(shè)計(jì)

　　壓力傳感器的工作原理選擇擴(kuò)散硅壓阻工作機(jī)理。將構(gòu)成惠斯登電橋的四個(gè)擴(kuò)散硅電阻對(duì)稱設(shè)計(jì)在彈性體的正負(fù)應(yīng)變區(qū)上，擴(kuò)散硅電阻隨被測(cè)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(cè)壓力成線性變化。圖4為傳感器惠斯登電橋。

　　基于一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力傳感器的敏感器件和芯體采用微小型化，與壓力開關(guān)形成上下配套結(jié)構(gòu)，形成一體化設(shè)計(jì)。圖5為傳感器小型體芯結(jié)構(gòu)。傳感器設(shè)計(jì)利用自主開發(fā)的傳感器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行，使用ANSYS有限元分析平臺(tái)軟件和CV機(jī)械設(shè)計(jì)軟件及數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)資料，建立合理適用的傳感器數(shù)學(xué)模型。傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行全固態(tài)設(shè)計(jì)，敏感芯片與玻璃之間、玻璃與金屬導(dǎo)壓管之間連接采用靜電封接(圖6)，燒結(jié)座、導(dǎo)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(duì)傳感器性能的影響，同時(shí)提高了芯體的穩(wěn)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(qū)的兩點(diǎn)和三點(diǎn)補(bǔ)償方案，對(duì)傳感器的零點(diǎn)失調(diào)電壓、零點(diǎn)和靈敏度的熱漂移進(jìn)行二次溫度補(bǔ)償。

　　傳感器制作是在沈陽儀表科學(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和傳感器裝配流水線中進(jìn)行，關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)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(dǎo)體平面工藝、微機(jī)械加工技術(shù)和微電子集成電路技術(shù)融合構(gòu)成。

　　2.2 機(jī)械壓力開關(guān)設(shè)計(jì)

　　壓力開關(guān)工作原理采用金屬膜片方式，功能結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中觸點(diǎn)1為固定觸點(diǎn)，通過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密封被同支在壓力接口內(nèi)。在壓力作用下，金屬膜片在彈性形變的范同內(nèi)發(fā)生形變，通過圓心支桿，變形膜片帶動(dòng)開關(guān)的可動(dòng)觸點(diǎn)沿軸向上下移動(dòng)與固定觸點(diǎn)相觸。可動(dòng)與固定觸點(diǎn)之間的距離根據(jù)壓力量程設(shè)定固化，通過彈簧片觸點(diǎn)與接線端子實(shí)現(xiàn)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(diào)校利用特制的工裝和定位夾具。

　　2.3 信號(hào)電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)使用需要，壓力開關(guān)傳感器要求輸出0～5 V信號(hào)及高低電平的開關(guān)量信號(hào)，電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖8所示。

　　該電路設(shè)計(jì)主要分三大部分：第一部分為傳感器信號(hào)放大電路，設(shè)計(jì)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(hào)放大至0～5 V輸出，形成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)；第二部分為開關(guān)設(shè)定電路，設(shè)計(jì)方案采用電壓基準(zhǔn)及精密電阻器構(gòu)成模擬傳感器，通過調(diào)節(jié)精密電阻器阻值來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電壓的設(shè)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(hào)與開關(guān)設(shè)定電壓信號(hào)進(jìn)行比較輸出高低電平的開關(guān)量，設(shè)計(jì)方案采用運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓比較器(如圖10)，當(dāng)傳感器輸出的信號(hào)臨界于開關(guān)設(shè)定信號(hào)時(shí)，比較器就進(jìn)行電壓比較，輸出高低電平的開關(guān)量信號(hào)。

　　3 可靠性設(shè)計(jì)

　　3.1 壓力傳感器可靠性設(shè)計(jì)

　　采用自主開發(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(wěn)定性和低溫度漂移；采用自主開發(fā)的多層材料的靜電封接技術(shù)，對(duì)硅片-玻璃、玻璃-金屬導(dǎo)壓管的封接，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器內(nèi)部無可動(dòng)部件，保證傳感器抗沖擊、抗振動(dòng)；采用自主開發(fā)的硅油充灌技術(shù)，保護(hù)傳感器內(nèi)部芯片，隔離被測(cè)介質(zhì)，保證充灌保護(hù)液后的傳感器精度和溫漂達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求

　　3.2 機(jī)械壓力開關(guān)可靠性設(shè)計(jì)

　　膜片的設(shè)計(jì)采用不對(duì)稱的方式，保護(hù)采用仿形基座來限制膜片的過載位移；裝配過程增加膜片與仿形體耦合工序，保證膜片經(jīng)過數(shù)次過載后的重復(fù)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(xù)微間隙調(diào)整方法，觸點(diǎn)進(jìn)行高溫固化，保證開關(guān)動(dòng)作精度及穩(wěn)定性。

　　3.3 信號(hào)電路可靠性設(shè)計(jì)

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

　　4 結(jié) 語

　　壓力開關(guān)傳感器的許多設(shè)計(jì)和研制使用多種金屬和非金屬材料，許多設(shè)計(jì)和主要研制內(nèi)容是首次和全新的，研制流程經(jīng)過50多道工序，涉及多門學(xué)科相互交叉的綜合技術(shù)。該壓力開關(guān)傳感器整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、精度、過載倍數(shù)和可靠性高，觸點(diǎn)動(dòng)作誤差和溫度系數(shù)小，無論是其開關(guān)功能還是傳感器性能的指標(biāo)要求均高于單一功能類的產(chǎn)品。