壓力開關傳感器

　　梁峭，孫?，|，郭麗娟

　　(沈陽儀表科學研究院，沈陽 110043)

　　1 引 言

　　隨著傳感器技術的發(fā)展，功能集成化和結(jié)構小型化或一體化則成為傳感器的主要發(fā)展趨勢之一。壓力開關傳感器的研制就是將功能單一的機械式壓力開關與壓力傳感器結(jié)構小型化、功能集成化，使二者在同一個壓力腔內(nèi)能夠同時提供開關信號和連續(xù)電信號。該壓力開關傳感器研制要突破一體化結(jié)構、小型傳感器設計及機械壓力開關等關鍵技術難點，解決涉及多門學科相互交叉的綜合技術。

　　2 結(jié)構設計

　　為了實現(xiàn)機械壓力開關與傳感器一體化結(jié)構的要求，二者必須位于同一壓力腔體中。如果沒有體積尺寸和重量的限制，傳感器與壓力開關只需平行排列就可以。但在較小結(jié)構空間內(nèi)，我們擬將傳感器與壓力開關的感壓膜片面對面安裝在同一壓力腔內(nèi)，共用同一個壓力接口與信號接插件。能夠同步感受外部傳遞的壓力，并同時提供階越信號與連續(xù)電信號。該結(jié)構外殼為不銹鋼材料，整體設計采用固體硬連接，利用氬弧焊、電阻焊和電子束等多種體連接方法實現(xiàn)傳感器結(jié)構內(nèi)無可動部件，強化傳感器抗壓、抗振、抗沖擊特性。圖1，2為傳感器一體化結(jié)構圖。

　　傳感器輸出的毫伏信號需要經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)化成0～5 V標準信號輸出。根據(jù)使用要求將電路板設計安裝在電路盒體內(nèi)，電路盒的結(jié)構設計如圖3所示。外殼采用金屬鋁材料，表面進行陽極氧化，電路板經(jīng)過固定安裝后，電路盒四周采用密封處理，輸出信號通過電連接器與外部儀表連接。

　　2.1 小型壓力傳感器設計

　　壓力傳感器的工作原理選擇擴散硅壓阻工作機理。將構成惠斯登電橋的四個擴散硅電阻對稱設計在彈性體的正負應變區(qū)上，擴散硅電阻隨被測介質(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)構設計壓力傳感器的敏感器件和芯體采用微小型化，與壓力開關形成上下配套結(jié)構，形成一體化設計。圖5為傳感器小型體芯結(jié)構。傳感器設計利用自主開發(fā)的傳感器計算機輔助設計應用技術進行，使用ANSYS有限元分析平臺軟件和CV機械設計軟件及數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)資料，建立合理適用的傳感器數(shù)學模型。傳感器結(jié)構進行全固態(tài)設計，敏感芯片與玻璃之間、玻璃與金屬導壓管之間連接采用靜電封接(圖6)，燒結(jié)座、導壓管、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傳感器性能的影響，同時提高了芯體的穩(wěn)定性和可靠性。同時利用貼片或厚膜電阻網(wǎng)絡技術，采用全溫區(qū)的兩點和三點補償方案，對傳感器的零點失調(diào)電壓、零點和靈敏度的熱漂移進行二次溫度補償。

　　傳感器制作是在沈陽儀表科學研究院傳感器國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行，關鍵的生產(chǎn)設備和精密儀器均是1997年以后引進的，制造技術主要由半導體平面工藝、微機械加工技術和微電子集成電路技術融合構成。

　　2.2 機械壓力開關設計

　　壓力開關工作原理采用金屬膜片方式，功能結(jié)構如圖7所示，其中觸點1為固定觸點，通過金屬彈簧片懸浮同定；觸點2為可動觸點，經(jīng)特殊工藝焊接在金屬彈性膜片中央，金屬彈性膜片再通過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，通過圓心支桿，變形膜片帶動開關的可動觸點沿軸向上下移動與固定觸點相觸?？蓜优c固定觸點之間的距離根據(jù)壓力量程設定固化，通過彈簧片觸點與接線端子實現(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 信號電路設計

　　根據(jù)使用需要，壓力開關傳感器要求輸出0～5 V信號及高低電平的開關量信號，電路設計原理框圖如圖8所示。

　　該電路設計主要分三大部分：第一部分為傳感器信號放大電路，設計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放大至0～5 V輸出，形成標準的電壓信號；第二部分為開關設定電路，設計方案采用電壓基準及精密電阻器構成模擬傳感器，通過調(diào)節(jié)精密電阻器阻值來實現(xiàn)開關電壓的設定；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與開關設定電壓信號進行比較輸出高低電平的開關量，設計方案采用運算放大器構成電壓比較器(如圖10)，當傳感器輸出的信號臨界于開關設定信號時，比較器就進行電壓比較，輸出高低電平的開關量信號。

　　3 可靠性設計

　　3.1 壓力傳感器可靠性設計

　　采用自主開發(fā)的制造工藝，抑制和減小傳感器的時漂和溫漂，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，對硅片-玻璃、玻璃-金屬導壓管的封接，實現(xiàn)壓力傳感器內(nèi)部無可動部件，保證傳感器抗沖擊、抗振動；采用自主開發(fā)的硅油充灌技術，保護傳感器內(nèi)部芯片，隔離被測介質(zhì)，保證充灌保護液后的傳感器精度和溫漂達到技術指標要求

　　3.2 機械壓力開關可靠性設計

　　膜片的設計采用不對稱的方式，保護采用仿形基座來限制膜片的過載位移；裝配過程增加膜片與仿形體耦合工序，保證膜片經(jīng)過數(shù)次過載后的重復性；膜片及觸點采用特殊金屬材料，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，觸點進行高溫固化，保證開關動作精度及穩(wěn)定性。

　　3.3 信號電路可靠性設計

　　有源電子器件遵循功率降額使用原則；電子元器件經(jīng)過老化篩選，保證器件的可靠性；電路板裝經(jīng)過“三防”處理，增強耐鹽霧、防霉菌的性能。

　　4 結(jié) 語

　　壓力開關傳感器的許多設計和研制使用多種金屬和非金屬材料，許多設計和主要研制內(nèi)容是首次和全新的，研制流程經(jīng)過50多道工序，涉及多門學科相互交叉的綜合技術。該壓力開關傳感器整機結(jié)構緊湊、精度、過載倍數(shù)和可靠性高，觸點動作誤差和溫度系數(shù)小，無論是其開關功能還是傳感器性能的指標要求均高于單一功能類的產(chǎn)品。