不銹鋼光電傳感器芯體研制

　　不銹鋼光電傳感器芯體研制
 

　　光電傳感器線性相關的電信號，是一種應用交通、工業制造和物聯網等各種領域。傳統光電傳感器包括陶瓷壓力傳感器[2]和充油壓力傳感器[3]兩種。陶瓷壓力傳感器以陶瓷彈性膜為感壓單元，耐腐蝕性好，成本較低，在汽車電子領域應用廣泛，但是精度較差，只適用于中低量程壓力測量。充油壓力傳感器以微機電系統(MEMS)壓力傳感器芯片[4]為壓力測量單元，測量精度高[5]，能夠實現中低高全量程的壓力測量，但成本較高，主要應用在對成本不敏感的工業電子領域。
 

　　不銹鋼壓力傳感器作為一種近些年新出現的一種壓力傳感器[6]，直接以機加工不銹鋼薄膜作為直接感壓單元，以硅應變計為信號轉換元件，相對陶瓷壓力傳感器有更高的精度，相對充油壓力傳感器有更低的成本，能夠覆蓋中低高全量程。本文基于不銹鋼壓力傳感器的原理，設計了一種壓力傳感器芯體，具有過載大、耐腐蝕、成本低、可靠性好的特點。
 

　　光電傳感器芯體以不銹鋼薄膜作為感壓結構，以應變片作為測量單元，基本結構如圖1(a)左所示，芯體為17-4PH不銹鋼一體加工結構，下部包括壓力傳感器芯體的導壓孔及過程連接接口，上部與測量介質接觸的為一體不銹鋼，感壓硅應變計粘貼于不銹鋼膜片的上表面。整個芯體內部無密封件及焊縫，從根本上杜絕了產品內部的測量介質泄露隱患。使用本芯體組裝后的傳感器、電路及感應元件在膜片的一側，測量介質在膜片的另一側，從而外部介質環境與傳感器芯體內部隔離，從而實現測量各類與不銹鋼材料兼容的氣體和液體等介質壓力。傳感器芯體整體高度15.75 mm，最寬處的直徑為14 mm，頂部應變片粘貼臺面直徑6 mm，中間通氣孔直徑3.4 mm，頂部臺面下方傳感頸部有應力隔壁槽，隔離裝配應力，從而提高傳感器穩定性。本文壓力傳感器整體芯體尺寸較目前的常規的帶螺紋接口的充油壓力芯體、陶瓷壓力芯體都小，便于后續組裝成小型或超小型壓力傳感器。如圖1(b)右所示，針對傳感器芯體頂部的感壓膜壓力形變進行了有限元仿真，得到了彈性體受到5 MPa壓強作用時的應力云圖和形變云圖，由圖中可以看到，彈性膜以中心點對稱向上凸起，最大變形在中心處，為1.99μm。彈性膜應力最大點在中心處為73.34 MPa，向外應力逐漸變小，在薄膜的邊緣處又稍微變大。
 

　　常見的應變片為鉑應變片，用于各種場合的力傳感測量，但是溫度漂移大，靈敏度小，而硅應變片采用MEMS工藝加工[7]，具有靈敏度高、體積小和精度高的特點，便于進行微區應力測量，因此本傳感器采用硅應變片做測量單元。同時，硅應變片與不銹鋼之間的粘接材料使用微熔玻璃粉，由于玻璃與硅有大概相同的熱膨脹系數，同時穩定性好，有利于傳感器芯體的長期穩定性。不銹鋼壓力變送器基本工作原理如圖2所示，采用厚膜工藝將無機粘接材料微熔玻璃膠體印刷在不銹鋼彈性體上，貼在不銹鋼感壓基座表面的2個硅電阻應變片感測基座不銹鋼膜片的形變。每個應變片由2個蛇形電阻構成，2個應變片，4個電阻通過引線互連，構成惠斯通電橋，從而輸出電壓信號。如圖1(b)所示。外側的兩個電阻R1和R4中心處位于彈性膜邊緣，當傳感器承受壓力時，不銹鋼感壓膜片產生變形，R1,R4承受壓應力，電阻變小，R2,R3承受拉應力，電阻變大，電橋不平衡，輸出與隨壓力線性變化的電信號，從而實現壓力測量。
 

　　光電傳感器基于以上的結構和工藝設計，進行了傳感器芯體的試制。如圖3(a)所示，為不銹鋼壓力芯體的主要制造流程:(a1)采用17-4PH不銹鋼坯料進行粗車加工成型，得到帶有不銹鋼薄膜的壓力芯體，然后對端面進行精銑，得到高精度不銹鋼薄膜結構，然后對不銹鋼芯體表面進行噴砂處理;(a2)利用絲網印刷工藝在不銹鋼芯體臺面上絲印微熔玻璃膠體;(a3)干燥并在帶氣氛保護的燒結爐中進行500℃快速燒結形成玻璃基體;(a4)將硅應變片放置在微熔玻璃基體相應的位置上;(a5)將放置好的應變片及不銹鋼基底在帶氣氛保護的燒結爐中進行高溫燒結。在不銹鋼壓力芯體的制作環節中，不銹鋼基體的制作極為關鍵，加工需要高精度、低應力，高精度加工才能保證傳感器靈敏度的批量穩定性，低應力銑削加工保證傳感器不銹鋼壓力薄膜，沒有塑性損傷，才能夠承受工作環境中的多次壓力沖擊，保證傳感器的疲勞可靠性。
 

　　硅應變片的貼片效果直接影響了傳感器芯體的性能，為了驗證傳感器芯體的制備效果，利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對貼片后的硅應變片進行了表征。如圖4所示，為粘貼在不銹鋼感壓膜表面的硅應變片的光學及SEM圖像，圖右中應變片周圍的白色區域為燒結后的玻璃，可以看到，硅應變片通過玻璃完整可靠的粘接在了不銹鋼的表面。
 

　　光電傳感器針對加工完成的不銹鋼壓力傳感器進行相關性能測試，搭建了相關的測試系統，包括鋼瓶氣源、氣壓控制器、壓力加載工裝、高精度電壓源及高精度電壓表。傳感器感壓芯體需要進一步處理便于測量，首先將轉接PCB電路板固定在不銹鋼基底上，通過引線進行電路與硅應變片的互聯，并點膠保護，將傳感器信號引出。性能測試時，電源在電橋輸入端施加5V電壓，高精度電壓表測量輸出端Out+及Out-兩端的差分電壓。氣壓源氣壓經氣壓控制器輸出到壓力芯體下端引壓孔，測試在不同氣壓條件下，壓力芯體電橋輸出端對應用的電壓輸出。
 

　　壓力傳感器性能試驗方法進一步分析了傳感器的線性度，1#、2#、3#樣品分別為0.32%,0.34%,0.49%，技術指標穩定可靠，初步實現了設計目標。可以看出傳感器的零點都不在0 m V，同時滿量程輸出也均不同，這可能是因為壓力傳感器芯體上的硅應變片貼片的位置精度和不銹鋼感壓膜的厚度加工精度不夠的原因，需要在后續的研制中進一步改進。