陶瓷壓阻式機(jī)油壓力傳感器研制

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，微電子封裝研究中心，安徽合肥 230000

一、引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車越來越智能化，作為車況信息第一感知單元的各類傳感器發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其中，用于發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)機(jī)油壓力情況檢測的機(jī)油壓力傳感器，是現(xiàn)有汽車傳感器中使用量較大的一種，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中起著重要作用。

目前，國內(nèi)汽車行業(yè)仍廣泛采用傳統(tǒng)的滑線式機(jī)油壓力傳感器，由一個(gè)波紋膜片和一個(gè)滑線電位器構(gòu)成。由于滑線電位器具有機(jī)械觸點(diǎn)，且該觸點(diǎn)處通過的最大電流可達(dá)100 mA，加之汽車野外行駛路況復(fù)雜，需要不斷承受沖擊、顛簸、振動(dòng)、過載、腐蝕以及高低溫（-30～+110℃），使得該類傳感器的機(jī)械、電氣壽命受到嚴(yán)重影響，成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器失效的主要因素之一[1,2]。

針對傳統(tǒng)機(jī)油壓力傳感器存在問題，設(shè)計(jì)制作了一種基于陶瓷壓阻檢測原理的新型油壓傳感器，經(jīng)過系列實(shí)驗(yàn)測試論證，其綜合檢測精度達(dá)到0.925%F.S.，壓力量程范圍為1MPa，應(yīng)用溫度上限125℃，在2～3 MPa過載、爆破壓力加載后工作正常，具有檢測精度高、性能可靠、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，可被有效應(yīng)用于各種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的機(jī)油壓力檢測中。

二、傳感器結(jié)構(gòu)與檢測原理

設(shè)計(jì)制作的機(jī)油壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖1中所示：左圖是帶柔性處理電路的陶瓷壓力傳感芯片；右圖是用金屬外殼封裝集成好的機(jī)油壓力傳感器成品。

傳感芯片主要由陶瓷彈性膜片和厚膜電路兩部分組成，另外還有陶瓷基座和溫補(bǔ)、零補(bǔ)電路等。使用的陶瓷彈性膜片為96% Al2O3材料的圓片結(jié)構(gòu)，具有厚度均勻、膜片平整、內(nèi)應(yīng)力小等特點(diǎn)。厚膜電阻（釕酸鹽漿料）是通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)掩模轉(zhuǎn)印到陶瓷彈性膜片背面，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的。4個(gè)厚膜電阻被設(shè)計(jì)成惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，在彈性膜片上的位置如圖2中所示。

當(dāng)有外加壓力作用時(shí)，陶瓷彈性膜片將產(chǎn)生撓曲變形，致使其背面的厚膜電阻也產(chǎn)生相同應(yīng)變。基于壓阻效應(yīng)，厚膜電阻內(nèi)部導(dǎo)電顆粒間接觸狀態(tài)將發(fā)生改變，導(dǎo)致其阻值變化。此時(shí)，電阻R2和R4受陶瓷基底的軸向擠壓，產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，阻值減小；電阻R1和R3在彈性膜片的中央受到拉伸，產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，阻值增大。這樣，由電阻R1、R2、R3、R4組成的全橋?qū)⑹テ胶猓诤銐涸碪0供電時(shí)，理想情況下電橋輸出電壓信號U為[3]：

由厚膜電阻應(yīng)變系數(shù)（GF）定義：

其中，R—單個(gè)厚膜電阻值；

ΔR—電阻變化量；

ε—厚膜電阻微應(yīng)變。

又據(jù)板殼力學(xué)分析知識，在小撓度變形假設(shè)條件下[3,4]，當(dāng)有壓強(qiáng)為P的作用力施加到半徑為r、厚度為t的圓形陶瓷彈性膜片上時(shí)，距離其中心點(diǎn)x處的徑向微應(yīng)變ε近似為[3]：

式中，v—泊松比；

E—楊氏模量。

結(jié)合（1）、（2）、（3）式，可得：

在陶瓷壓力傳感器制作成型后，式（4）中的GF、E、v、t、r、x值都為常數(shù)，當(dāng)輸入電壓U0為恒壓時(shí)，電橋輸出信號U與所施加壓強(qiáng)P之間成線性關(guān)系，即可通過U來實(shí)現(xiàn)P的等效檢測。

但由于電橋直接輸出的原始電壓信號比較微弱，一般在mV/V量級，很難被有效探測，所以需要外接處理電路來對信號進(jìn)行放大輸出。此處采用了柔性處理電路設(shè)計(jì)，除了便于貼片機(jī)批量貼裝、電路一致性好、穩(wěn)定可靠、體積小等特點(diǎn)外，其還能任意彎折變形，使在焊接外插端子時(shí)更靈活方便，批量焊接效率提高；同時(shí)，該設(shè)計(jì)也避免了傳感器在封裝過程中產(chǎn)生擠壓應(yīng)力對元器件造成損壞，提高封裝成品率。結(jié)構(gòu)上，還設(shè)計(jì)了兩個(gè)對稱的凸邊電路地極（GND），可使傳感器在封裝時(shí)，能快速、準(zhǔn)確的與金屬外殼接地（保證傳感器零點(diǎn)長期穩(wěn)定），提升傳感器批量封裝效率。

三、實(shí)驗(yàn)測試與討論

將設(shè)計(jì)制作的陶瓷壓力傳感器（量程范圍1MPa），進(jìn)行不同溫度、壓強(qiáng)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證其性能。具體操作過程如下：

1、氣路連接

通過不銹鋼耐壓導(dǎo)氣管依次將傳感器——?dú)怏w壓力調(diào)節(jié)器——高壓氣源連接，并檢查各連接處氣密性，再將傳感器放置在高低溫箱腔體中，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

2、傳感器標(biāo)定

在常溫22℃、中間溫度點(diǎn)65℃和高溫點(diǎn)125℃處，分別對傳感器進(jìn)行系列加壓測試（0 MPa, 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.6 MPa, 0.8 MPa, 1.0 MPa），通過校準(zhǔn)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄、計(jì)算，得出電壓輸出信號與施加壓強(qiáng)的線性曲線關(guān)系式（5），并將其寫入處理電路芯片中，完成傳感器的標(biāo)定校準(zhǔn)。

式中，P—施加壓強(qiáng)，單位：MPa；

Vcc—輸入電壓，單位：V；

Vout—輸出電壓信號，單位：V。

3、傳感器測試

將傳感器接線端子上的三個(gè)引腳(電源輸入Vcc，信號輸出Vout，地極GND，如圖3所示)通過耐高溫導(dǎo)線，分別連接到高低溫箱外部的恒壓直流源、高精度數(shù)字萬用表對應(yīng)端口上；選取了22℃、71℃和125℃三個(gè)溫度點(diǎn)，分別對傳感器進(jìn)行多個(gè)壓力點(diǎn)測試，記錄電壓輸出信號值，如表1所示。

表1 不同溫度、壓強(qiáng)條件下測試數(shù)據(jù)

從以上測試數(shù)據(jù)可以計(jì)算分析出，經(jīng)標(biāo)定后的傳感器在不同溫度、壓強(qiáng)條件下，其測試引用誤差最大值（表征傳感器綜合檢測精度）為0.925%F.S.（在71℃、1.000MPa處），達(dá)到了市面上壓力傳感器應(yīng)用精度≤2%F.S.的要求[5]。

另外，還在常溫常壓下隨機(jī)選取3個(gè)傳感器芯片，進(jìn)行了過載（2倍量程）、爆破（3倍量程）壓力實(shí)驗(yàn)測試：將傳感器芯片壓力依次從0MPa（零位）升到1MPa（滿量程）、2MPa（過載壓力）、3MPa（爆破壓力），再降回到零位的測試過程，其中每步穩(wěn)定時(shí)間為5min，測試原始數(shù)據(jù)（未處理放大）如表2中所示。

表2 過載、爆破壓力測試數(shù)據(jù)

從表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)傳感器芯片在經(jīng)受了長時(shí)間的過載、爆破壓力測試過后，零位輸出依然保持不變，證明傳感器工作正常，未被損壞，驗(yàn)證了傳感器的穩(wěn)定可靠性。

四、結(jié)束語

設(shè)計(jì)制作了一種陶瓷壓阻式機(jī)油壓力傳感器，并利用搭建的高低溫壓力測試系統(tǒng)對其進(jìn)行了標(biāo)定和測試，在溫度22℃～125℃、壓強(qiáng)0～1MPa環(huán)境條件下，其綜合檢測精度為0.925%F.S.，達(dá)到了市面上壓力傳感器應(yīng)用精度≤2%F.S.的要求；并隨機(jī)抽取3個(gè)傳感器芯片進(jìn)行了過載、爆破壓力測試，其可靠性得到驗(yàn)證。設(shè)計(jì)的傳感器精度高、性能穩(wěn)定，可被有效應(yīng)用到機(jī)油壓力及其他相關(guān)場合的壓力檢測中。