壓力開關(guān)傳感器

　　梁峭，孫海瑋，郭麗娟

　　(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 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(méi)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(wú)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(guò)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(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(hào)通過(guò)電連接器與外部?jī)x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(kù)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(yáng)儀表科學(xué)研究院傳感器國(guó)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(guò)金屬?gòu)椈善瑧腋⊥?；觸點(diǎn)2為可動(dòng)觸點(diǎn)，經(jīng)特殊工藝焊接在金屬?gòu)椥阅て醒?，金屬?gòu)椥阅て偻ㄟ^(guò)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(guò)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?？蓜?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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)精密電阻器阻值來(lái)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(wú)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(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(shù)次過(guò)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(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(qiáng)耐鹽霧、防霉菌的性能。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　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(guò)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(guò)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(wú)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。