壓力傳感器過載保護方案

1、壓力傳感器的過載保護和封裝技術(shù)龐啟國二OO三年六月二十一日隨著硅微機械加工和MEM技術(shù)的發(fā)展，國外的傳感器越來越多地采用硅微 機械傳感器，這種新型的傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積小、易集成、成 本低、功耗小、速度快、可靠性高以及精度高等特點。把這種傳感器與集成電路 進一步集成在一起，可構(gòu)成功能強大的智能傳感器，而智能傳感器是本世紀(jì)傳感 器技術(shù)發(fā)展的主要方向，因此，硅微機械傳感器已成為國內(nèi)外傳感器研究的熱點。但是，硅壓力傳感器都存在抗過載能力差的問題， 主要原因是由于硅材料的 易碎性造成的。因此，采用硅膜片制造壓力傳感器就必須考慮過載保護的問題。 過載保護和傳感器封裝技術(shù)是國外壓力傳感器的關(guān)

2、鍵技術(shù)之一，這也是硅微機械壓力傳感器能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。 因此，對壓力傳感器的過載保護的研究是非常 必要的?，F(xiàn)在普遍采用的是三膜片保護技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示 頸環(huán)傳感器本體隔離膜片過載保護膜片負(fù)側(cè)膜盒正負(fù)側(cè)壓力通過兩側(cè)的隔離膜片及硅油分別傳遞到過載保護膜片的兩 側(cè)，然后再分別傳遞到傳感器的硅膜片的上下側(cè)，使硅膜片發(fā)生變形，其變形量與差壓成正比，將此變形量轉(zhuǎn)換成電信號即可知道正負(fù)側(cè)差壓的大小。其過載保護的原理如下:一、 單向過載保護當(dāng)單側(cè)過壓時， 過壓側(cè)的隔離膜片會因壓力過大而緊貼傳感器本體， 從而過 大的壓力就無法傳遞到傳感器上， 因此傳感器不會損壞。 傳感器本體上車有保護 波，其波形能與隔離

3、膜片的波形很好地吻合， 從而保證傳感器單向過壓時其隔離 膜片不會損壞。隔離膜片起到傳遞壓力的作用， 其剛度一般較小。 過載保護膜片 （即中心膜片）起到隔離兩側(cè)壓力的作用， 其剛度一般較大， 但是也不允許無窮 大，是有限制的，這主要取決于傳感器的過載能力。一般來說，硅膜片的過載能 力只有其最大量程的倍。因此，過載保護膜片的剛度取決于， 當(dāng)膜盒兩側(cè)的差壓 達到其最大量程的倍之前， 過壓側(cè)的隔離膜片就能貼到膜盒本體。 由于充灌液的 不可壓縮性，當(dāng)單向過壓時，過壓側(cè)的充灌液就向過載保護膜片側(cè)的容腔泄放。 因此，單向過壓時， 過載保護膜片必須要能產(chǎn)生足夠大的變形， 以便能讓出足夠 的空間容納過壓側(cè)的硅油

4、。但是，過載保護膜片的剛度不能太小，若太小，則膜 盒兩側(cè)的差壓加不到其滿量程，就已被單向過載保護，從而導(dǎo)致滿量程達不到。 一般來說，膜盒充灌后需測其剛度， 以確認(rèn)當(dāng)其單向過載時， 隔離膜片是否能貼 到膜盒本體，否則需調(diào)整其充灌液的量。 這里需要說明的是， 過載保護膜片兩側(cè) 的容腔都要比兩側(cè)隔離膜片的容腔大，否則， 當(dāng)單向過載時， 隔離膜片無法貼到 膜盒本體，從而無法起到過載保護的作用。 因此， 過載保護膜片無論如何也不會 貼到膜盒本體。二、 雙向（靜壓）過載保護當(dāng)雙向過壓時， 膜盒的結(jié)構(gòu)本身起不到過壓保護的作用， 但在很大的靜壓下 傳感器為什么還不會損壞呢？這其實與硅膜片的結(jié)構(gòu)和材料的物理特性

5、有關(guān)， 比 如一塊玻璃，在其兩端墊上磚頭， 然后在其中間施加不大的力它就會破碎， 然而， 當(dāng)把它放到平整的桌面上，即使一個大漢站到上面走，它也不會壞。 這就是硅膜 片單向過載壓力低，雙向過載壓力很高的道理。硅的機械特性與玻璃很接近，因 此，硅壓力傳感器的系統(tǒng)壓力（即靜壓）一般都很高。但也不是無限高，有一定 的極限，但通常都足夠滿足我們的要求。 然而，我們往往會形成一個錯誤的認(rèn)識， 認(rèn)為三膜片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單向過載保護沒問題，而無法實現(xiàn)雙向過載保護。傳感器封裝除了要考慮過載， 還要考慮結(jié)構(gòu)和隔離膜片剛度的對稱性及兩側(cè) 的硅油量盡量相等，這對溫度漂移、長期漂移、靜壓影響都是非常重要的。電容差壓傳感器的設(shè)

6、計原理是建立在結(jié)構(gòu)對稱的基礎(chǔ)之上的， 因此，保證傳 感器的對稱性是電容傳感器的設(shè)計和生產(chǎn)工藝中必須嚴(yán)格保證的重中之重。針對我廠生產(chǎn)的電容傳感器，我認(rèn)為可以作以下改進：1、將隔離膜片直接焊接在膜座上，并且膜座上車保護波，其波形與隔離膜 片的波形要能很好地吻合。 隔離膜片焊接后應(yīng)加高壓氣整形， 使其與膜座上的波 形進一步地吻合。 這樣可以做到傳感器兩側(cè)的對稱性， 充灌液的量也可保證一致。 我們原來的做法是，將膜座與膜盒體焊接后， 再焊隔離膜片， 往往傳感器兩側(cè)隔 離膜片與本體的高度相差0.3mm這是原設(shè)計中有意這樣做的，原來的目的是， 待膜座與膜盒體焊接后， 再將膜座和膜盒體一起車平。 這在設(shè)計上

7、就給傳感器的 質(zhì)量留下嚴(yán)重的隱患， 因為在焊接后再上車床， 必然會在傳感器內(nèi)留下鐵屑和油 污，這樣造成的后果是不堪設(shè)想的。 影響傳感器性能的焊縫也多了兩條， 本來只 需要三條，這樣做卻變成了五條。 傳感器的本體上沒有保護波， 其結(jié)構(gòu)也決定了 其無法車保護波，因此， 兩側(cè)的隔離膜片的高度根本無法控制， 從而硅油量也無 法控制。本來電容傳感器的性能主要是由其對稱性來保證的，如果做不到對稱， 其性能就根本無法保證，因此其漂移量很大。2、充灌后需做兩側(cè)充灌液的調(diào)整， 用專用夾具保證兩側(cè)隔離膜片高度一致， 從而也保證了兩側(cè)的充灌液的量一致。3、充灌液的質(zhì)量必須嚴(yán)格控制，進廠必須嚴(yán)格檢驗，應(yīng)不包含水蒸汽和

8、雜 質(zhì)，雜質(zhì)檢查可通過高倍顯微鏡觀察， 水蒸汽檢查可通過煮沸的方法檢查。 充灌 時真空度必須嚴(yán)格保證。做到這些可以減少溫度漂移。4、充灌液的密封采用螺釘壓鋼球的形式，孔底需加工錐面，對其形位公差 和光潔度嚴(yán)格把關(guān)，密封孔的加工工序必須單獨分開，用專用車床、專用刀具、 專人加工，這樣可保證傳感器不漏油。 也可以采用鉑金管作為充灌通道， 同時又 作為電極，這種方式簡單可靠， 減少了鉆充灌孔的工序， 從而也減少了出問題的 機率?？傊?，工序越少越可靠。5、機械加工完后，必須設(shè)專門工序，用專用工具打毛刺，特別是傳感器上 不允許有毛刺。 因為毛刺一方面會造成結(jié)合面結(jié)合不好或損傷膜片， 另一方面有 可能脫落造成電極短路。6、必須嚴(yán)格保證膜座和膜片的清潔度，否則，不但會影響焊接質(zhì)量，而且 還會影響傳感器的性能。7、傳感器制造