基于玻璃燒結技術的軌壓傳感器開發

摘 要當前硅壓力傳感器的設計和應用，一般采用正面受壓技術，例如成本較高的正面充油隔離封裝技術，或者對硅表面電路保護不徹底的正面封膠封裝技術。本文介紹基于玻璃燒結技術的高量程軌壓傳感器的研究開發，高端量程可達200MPa，實現軌壓傳感器的國內自主供貨問題?！娟P鍵詞】玻璃燒結 壓力傳感器 軌壓傳感器

1 前言

傳感器行業一直由國際著名的一些企業在把持。如美國的霍尼維爾（Honeywell）、德國的賀力氏（Heraeus）、博世（Bosch）、飛思卡爾（Freescale）、ADI、DIGI、EPC以及美國的MEMS（精量電子（深圳）有限公司）等。國內也有一些生產傳感器的知名企業，如新會康宇、上海飛樂、西安聯創、貴州航天電器、潮州三環、自儀股份等。在產品質量及功能方面，國內企業還有很大的提升空間。

新會康宇在傳感器行業一直致力于自主研發，開發了基于玻璃燒結技術的壓力傳感器，包括適合柴油機高壓共軌系統的200MPa高量程軌壓傳感器。該項工作主要包括開發專用硅應變計、開發理想的壓力基座結構、開發硅應變計與不銹鋼基座的玻璃燒結工藝。

2 開發壓力傳感器的專用硅應變計

傳統的壓力傳感器以機械結構型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質量重，不能提供電學輸出。隨著半導體技術的發展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術的發展，半導體傳感器向著微型化發展，而且其功耗小、可靠性高。本項目需開發壓力傳感器所需的硅壓力應變計，開發出兩款應變計，一款是多晶硅高溫應變芯片，另一款是SOI單晶硅高溫低漂移應變芯片。芯片彎管如圖1、2所示。

3 設計金屬壓力座結構

3.1 設計細長桿過盈配合加工壓力基座

壓力傳感器的初期精度只能做到0.5%等級，因此在0.25%級別領域一直無法配套使用。一旦攻克這個難關，該領域產品的質價比能夠大幅提高，占領更多市場。細長桿與基座之間有一定的空隙，裝配的時候直接用手就能推入進去基座，進去以后兩者之前還是松動的，從而導致細長桿并不平衡。就算是推進去后是平衡的，但是氬弧焊接后也有可能歪向一邊，原因是焊接時候金屬熔化再固化，金屬固化收縮的過程中產生的巨大拉力把細長桿拉向一邊。細長桿不平衡，無法保證基于微熔技術新工藝壓力傳感器的加工質量，加工過程中有絲印玻璃、燒結應變片等關鍵工序會影響傳感器的精度。假如細長桿本來就不平衡，壓力傳感器的生產加工過程就無法保證玻璃、應變片等燒結在壓力膜片正中心的位置。因此肯定會影響傳感器的精度、靈敏度等指標性能。

根據以上分析，改進的方向主要是想辦法保證細長桿焊接后的平衡度。我們在細長桿與基座的配合上面增加過盈設計，通過過盈定位兩者之間能夠能到充分的固定作用，就算是金屬高溫熔解固化過程中產生的巨大拉力也不能產生相對位移，保證焊接的質量。比較特殊的是，使用過盈配合后，細長桿需要用一定的壓力才能推進去基座之中。改進前后裝配圖對比如圖3。

針對該項改進，已經進行了多個量程段（3-60MPa）的測試，每種量程配置20個傳感器，不同量程下精度的保證率數據如下表。對表格中的數據分析后可發現傳感器的精度比之前有大幅度的提升，并且量程越大效果約明顯。

如表1所示，此項設計可擴展到所有細長桿結構的應用場合，未來可擴大應用范圍，提高壓力傳感器的精度。

3.2 通過應力釋放環提高壓力傳感器長期穩定性

樣機開發過程中，分體焊接式的壓力傳感器長期穩定性相對較差，樣品放置一段時間后，就會有很少部分產品超出要求的±1%誤差范圍。由于焊接氬弧的位置與膜片的距離較短，焊接后殘余的應力會逐漸釋放出來，并傳遞到膜片，導致壓力膜片變形，表現出來的現象就是隨著時間的推移，壓力傳感器的輸出會有一定的變化，產品輸出產生偏離。壓力傳感器的脖子長度不能太長，容易把焊接應力傳遞到壓力膜片，受限于產品尺寸，該結構基于脖子長度不能再增長，因此釋放的焊接應力容易傳遞到壓力膜片，從而影響傳感器的長期輸出穩定性。壓力膜片薄，受焊接應力釋放的影響很敏感，由于應用是1MPa附近的低量程領域，壓力傳感器膜片很薄，受其他外界應力的影響很敏感。

根據以上分析，問題存在于焊接應力的釋放，傳遞到壓力膜片，從而影響穩定性。其中焊接方式和壓力膜片厚度都有各種的限制不好更改。因此改進的方向主要是想辦法割斷應力的傳遞環節，也就是在脖子中間增加一應力釋放環。該設計可理解成局部增加了脖子的厚度，這樣可有效隔離焊接應力到壓力膜片之間的傳遞，在產品的長度、材料成本沒有增加的前提下提高了輸出的穩定性。

該改進措施在低壓量程產品上進行過跟蹤和效果驗證，每種型號各50個壓力座，在進行了10次的高低溫沖擊后，輸出漂移全部在±0.5%FS以內，相對比改進前的傳感器穩定性有顯著提高。此項設計可擴展到所有一體式結構的應用場合，只要空間允許就能夠用上去，能夠有效降低焊接應力的傳遞，提高壓力傳感器產品的穩定性和產品質量。

4 開發硅應變計與不銹鋼基座的玻璃燒結工藝

將超薄的硅應變計通過玻璃燒結、可靠地連接于金屬壓力座的膜片上、滿足傳感器各項使用性能，這就是玻璃燒結新工藝生產壓力傳感器方法。

工藝流程為：壓力座前處理、壓力座與應變計的玻璃燒結（壓力座絲印、燒結玻璃、壓力座粘放應變片、燒結應變片、老化）、壓力座貼電路板、綁定、傳感器保護、傳感器測試、傳感器送檢入庫。生產過程的玻璃絲印厚度、溫度、時間控制是玻璃燒結工藝的一些核心參數。

在壓力傳感器上采用壓力基座上通過絲印特定玻璃漿，燒結玻璃后，在玻璃上粘放應變片后再燒結，一方面體現于所要求的耐壓，即在正常介質壓力和通常是3倍的過載壓力下，要保證足夠的粘接強度和氣密性；另一方面還要滿足測量的各項性能指標，包括線性、重復性、回差、遲滯等。玻璃燒結的厚度與產品性能密切相關，傳感器的量程則主要由壓力座金屬膜片的設計和加工厚度決定，不同量程，需加工不同的膜片厚度。

5 結論

本項目的主要成果在于開發專用硅應變計、理想的壓力基座結構、硅應變計與不銹鋼基座的玻璃燒結工藝。設計金屬擠壓的密封結構，使壓力傳感器產品實現快速封裝，并解決了應力方面的問題。開發了微熔新工藝技術在壓力傳感器上的創新應用，也是本項目的技術核心之一，通過這一技術可以在市場上保持競爭優勢。改進后的壓力傳感器，抗過載性能大大提高，生產成本顯著降低，適于大規模產業化應用；整體結構易于實現緊湊、小型化的封裝，適應不同應用的需要，顯著豐富和拓寬了小微壓力量程領域、高量程的產品系列，特別適高量程的柴油機高壓共軌系統所需的軌壓傳感器。

參考文獻

[1]鄭志霞，馮勇建.MEMS接觸電容式高溫壓力傳感器的溫度效應[J].電子測量與儀器學報，2013（12）：1141-1147.

[2]唐永旭.Cr-Si系薄膜的制備及超高壓壓力傳感器的研制[D].電子科技大學，2012.

[3]陳懷溥，王思杰，曹子祥.微晶硅應變計壓力傳感器的研制[J].西北大學學報（自然科學版），1989（03）：71-74.

作者簡介

羅小勇（1965-），男，湖南省新化縣人。畢業于華南理工大學半導體專業。現為新會康宇測控儀器儀表工程有限公司電子技術高級工程師。

作者單位

新會康宇測控儀器儀表工程有限公司 廣東省江門市 529100