耐低溫氣象壓阻傳感器研制

張 娜，唐 慧，梁 峭，劉 劍，孫海瑋

(沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧 沈陽110043)

0 引 言

應用于航天環控系統空氣流量測試的壓力傳感器要具備性能穩定、體積小、結構可靠等特點，為了滿足要求并提高傳感器對某些惡劣環境的適應能力，需要對敏感芯片進行涂膠保護［1］。

應用在傳感器上的灌封膠除具有優良的電絕緣性、憎水性、耐候性及粘接性外，還要求具有良好的吸振性，達到保護傳感系統，以減少外界因素對傳感器參數帶來的影響。

本文設計制作了一種耐低溫氣象壓阻傳感器，測試結果表明:該傳感器性能優良，具有實用價值。

1 芯片設計

采用自產的擴散硅壓阻芯片，根據硅基壓阻效應原理，以半導體平面工藝技術，在硅片的正面上，對稱設計4 只P型擴散硅力敏電阻元件在正負應變區上，用金屬鋁薄膜連接4 只電阻器形成惠斯登電橋［2］。使用MEMS 技術的各向異性化學腐蝕方法，將硅片背面電阻區腐蝕成μm 量級的敏感膜片;采用陽極鍵合工藝，將絕緣玻璃圓片與硅晶圓背面剛性連接，作為絕緣和應力隔離襯底［3］。擴散硅電阻隨被測介質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呈線性變化。電路原理見圖1。

圖1 惠斯登電橋Fig 1 Wheatstone bridge

2 TO—8 管座的設計加工

TO—8 管座結構如圖2 所示。該結構體積小巧，封裝簡單，可適用于印刷電路板安裝。

圖2 TO—8 管座結構圖Fig 2 TO—8 socket structure diagram

3 芯片封裝

3.1 封裝材料的選擇

考慮到對外界環境的適應性，敏感芯片采用硅凝膠涂覆保護。硅凝膠的選擇既要起到隔離保護作用，又要起到彈性傳遞作用，由膠引起的壓力損耗要非常小;同時因為傳感器的使用溫區要求－55～95 ℃，硅凝膠熱膨脹系數要小，在低溫條件下要保持彈性良好。根據以上條件總結出挑選硅凝膠的基本要求:1)柔軟，針入度大，大于100(1/10 mm);2)熱應力小;3)寬的使用溫區－60～100 ℃;4)低粘度、帶粘性小于1 000 mPa·s;5)透明凝膠狀;6)加成型，無副產物生成，固化后不收縮;7)防潮、絕緣、耐老化、防震、無腐蝕、化學性能穩定［4］。

3.2 封裝參數確定

硅凝膠的厚度是影響傳感器性能的一個重要的參數，由于在整個傳感器封裝中，保護膠與各種材料之間的熱膨脹系數不同，溫度循環后傳感器內部會產生熱應力，影響傳感器輸出的準確性［5，6］。實驗分別測量了涂覆硅凝膠的傳感器與不涂硅凝膠傳感器熱循環后滿量程輸出，將它們差值對應硅凝膠厚度繪制曲線如圖3，由圖可以看出:硅凝膠越薄對傳感器輸出影響越小，當厚度小于2 mm 時，硅凝膠厚度的變化對傳感器輸出影響很小，這個厚度理論上可以作為硅膠涂敷的工藝參數，但是在實際的生產中由于要考慮硅膠材料對傳感器的保護性能，因此，硅膠厚度的工藝參數要從對傳感器輸出影響最小和能提供足夠的保護兩個方面綜合考慮。

圖3 硅凝膠厚度與傳感器性能關系曲線Fig 3 Curve of relationship between silicon gel thickness and sensor performance

3.3 工藝步驟

1)前烘

任何物質表面都會吸附水分，不但會降低粘接強度，而且會使灌封材料的絕緣性惡化，選擇合適的溫度對器件進行烘干驅潮是必要的。但是，烘干后溫度一旦降到室溫應立即封裝，放置時間一般不超過2 h;否則，會二次吸潮。

2)配膠與真空脫泡

硅凝膠a，b 組分按比例混合，攪拌均勻，真空脫泡。氣泡的存在除了影響美觀，還嚴重影響灌封件使用的可靠性，所以，在一定真空度下保持足夠的時間使氣泡排凈［7］。所用真空干燥箱真空度0.6 kPa 以上，環境溫度23 ℃左右，抽真空2 h 以上。

3)器件灌封

器件和硅凝膠都準備好了就開始灌封，根據實驗結果控制好每個器件的膠量。由于器件體積小，涂覆膠厚度薄，灌封后，器件水平靜置20 min 即可脫泡。

4)后烘固化

封裝后的器件擺放整齊，放入烘箱中100 ℃固化2 h。

4 測試結果

對量程為200 kPa 的傳感器進行常溫靜態測試、高低溫穩定性測試、溫漂測試［8］，測試結果見表1 與表2。

表1 傳感器性能測試數據Tab 1 Test datas of sensor performance

表2 －55～95 ℃傳感器性能測試數據Tab 2 Performance test datas of sensor at －55～95 ℃

測試結果顯示:在－55～95 ℃的使用溫區上，該傳感器常溫靜態與高低溫性能良好。

5 結 論

本文設計制作的傳感器性能良好，使用溫區在－55～95 ℃，而相關廠家傳感器樣本氣象TO—8 型使用低溫極限為－45 ℃。本產品在低溫性能上更有優越性，并且制作工藝步驟簡單、成本低、具有很高的實用價值。

［1］ 趙懷東，劉文靜.有機硅凝膠在灌封技術中的應用［J］.航天制造技術，2002，4(2):37－39.

［2］ 匡 石，張治國，唐 慧.擴散硅力敏傳感器平面工藝CAD—制作擴散電阻的工藝參數設計［J］.儀表技術與傳感器，1999(12):14－17.

［3］ 張治國，匡 石.方型硅杯力敏器件計算機輔助設計［J］.儀表技術與傳感器，1997(8):15－18.

［4］ 劉愛堂.有機硅凝膠類防振、緩沖材料的特征、減振特性及其用途的開發［J］.橡膠參考資料，1992(8):11－18.

［5］ 陳思遠，羅玉峰，譚六喜，等.氣壓傳感器中芯片保護材料硅凝膠的優化設計［J］.傳感器世界，2007(1):21－23.

［6］ 李 威，楊燕飛，段紅軍.保護膠在小量程壓力傳感器封裝中的影響研究［C］∥STC'12 大會論文集，昆山，2012:272－275.

［7］ 解海峰，巨軍政.有機硅凝膠灌封高壓電器元件工藝研究［J］.應用技術，2007，28(4):49－50.

［8］ 匡 石，林 英，徐廣忠，等.力敏器件自動檢測系統［J］.儀表技術與傳感器，1992(1):21－23.