摘要：压力传感器广泛应用于各种现代工业生产中，对于在机车、冶金、石油化工、动力机械、航空航天等工程领域应用的传感器来讲，研究高可靠性及耐高温的压力传感器具有重要的实际意义。例如航空发动机进出口油压测量，发动机燃烧室气体压力测量、汽车发动机用机油压力测量、增压热燃气喷口压力测量时，一旦传感器失效或者泄漏，不仅会造成测量输出异常，甚至会造成人员伤亡。目前，工业上常见的压力传感器芯片为扩散硅原理，压敏电阻和衬底通过ＰＮ结电隔离，当工作温度超过１２０℃时硅材料本征激发ＰＮ结会反向导电，所以不能在高于１２０℃的环境下进行压力测量，传感器敏感元件的安装结构通常为Ｏ型密封圈“悬浮”结构，存在泄露隐患。针对某工程领域实际需求，提出了一种高可靠性压力传感器的设计方法，传感器芯片采用扩散硅原理，具有优良的高温性能，敏感元件通过电子束焊接连接，输出信号还将进行温度补偿。最后经过环境试验证明，该产品的可靠性和性能指标可以满足工程要求。
关键词：高可靠性；压力传感器；设计方法
1传感器设计
1.1敏感元件设计
芯片是传感器的核心，功能是将被测压力转换为电信号。为了满足高温使用需求，传感器芯片为ＳＯＩ结构，结构以衬底硅作为机械支撑，顶层单晶硅膜用于制造器件，中间的绝缘介质作为隔离层。ＳＯＩ压力芯片利用硅氧化物实现敏感电阻之间以及与基片之间的电隔离，替代了传统的扩散硅ＰＮ结电隔离技术，因而具有良好的高温工作特性。芯片由硅材料和玻璃组成，硅材料和玻璃之间是静电封装结构。
敏感元件本设计采用隔离密封的充灌结构，芯片侵泡于填充夜中，该结构具有工艺成熟、灵敏度高、稳定性好、被测介质与敏感芯片无接触等优点，能充分发挥硅材料优良的线性特性。敏感元件结构如图1所示，主要由芯片、管座、膜片等零件组成。敏感芯片采用高温胶粘贴装配在耐高温的金属管座上；芯片与金属外引线通过金丝内引线连接，该工艺成熟可靠；金属外引线采用金属－玻璃封接工艺与管座连接固定，具有较高的机械强度、耐高温性和良好的密封性；不锈钢波纹膜片气密性隔离敏感芯片和被测介质，可避免芯片受介质影响；不锈钢波纹膜片通过激光焊接固定在压环和管座之间；不可压缩的填充液硅油被真空净化处理后灌入感压腔内，灌封完成后用封油珠焊接密封充灌油路；当压力作用在波纹膜片上时，膜片变形通过硅油传导压力至芯片，芯片上电桥桥臂电阻变化产生相应信号。
图1压力敏感元件结构
1.2整机结构设计
整机结构设计需满足防水、防尘、抗电磁干扰、抗振动和冲击、体积小、重量轻、便于装配等要求。传感器为机电一体化产品，整机结构主要由电路板、壳体、固定件、基座、敏感元件和阻尼塞等组成。压力传感器工作时通过基座螺纹安装固定在被测管路及箱体上，基座材料选用不锈钢３１６Ｌ，材料采用固溶热处理后加工使用。固定件在传感器内部起承接固定作用，固定件下端内部螺纹与基座连接，固定件下端外部螺纹与壳体连接，固定件上端有４个螺纹孔，通过４个Ｍ２螺钉和平垫圈固定电路板，螺纹均涂覆环氧胶拧紧防松，胶体填充螺纹缝隙间。固定件和壳体材料选用铝合金以减轻整机的质量，壳体表面进行导电氧化处理。传感器导线选用高温导线。阻尼塞可降低大冲击压力对膜片的损伤，还可避免尖锐物品损坏敏感元件膜片。敏感元件和基座安装结构将直接决定传感器的密封强度，常见的安装结构为密封圈隔离安装、螺纹安装和焊接安装３种。传感器结构设计采取了Ｏ型密封圈和焊接相结合的安装方式。Ｏ型圈悬浮式结构利用橡胶的弹性及柔性可充分隔离装配应力。焊接采用电子束焊接，无需填充材料，与激光焊接技术相比具有焊接面积小、速度快、不易损伤精密电子器件、焊接参数易于控制等优点。电子束焊接技术（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｗｅｌｄｉｎｇ，ＥＢＷ）是利用高速电子的动能转化为热能，使焊缝处的金属材料迅速熔化融合从而达到焊接的目的。由于高温会导致敏感元件内部硅油性质变化，因此决定焊接部位为敏感元件上端面，焊缝形式为径向环形焊缝，且在焊接处设计散热锥面已降低敏感元件表面温度。
1.3温度补偿设计
在实际工程应用中为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取的一系列技术措施称为温度补偿技术。压力传感器的温度补偿通过电路设计实现，利用专用的传感器信号调理芯片实现温度补偿的方法具有集成度高、精度高、便于批量化生产等优点。Ｍａｘ１４５２是一款较常见的信号调理芯片，该芯片是一款高度集成的信号处理器，具有放大、校准和温度补偿功能，其综合工作特性可以逼近传感器所固有的可重复能力，可同时实现零位和灵敏度的补偿。该芯片还可用于加速度传感器、湿度传感器的温度补偿及校准。电路主要由稳压源、信号处理器和敏感元件电桥组成。稳压源提供稳定５Ｖ电压，信号处理器通过ＢＤＲ管脚给电桥供电，通过ＩＮＰ和ＩＮＭ管脚接收电桥感受压力后输出的电压信号，在信号处理器内部通过温度补偿曲线对信号进行补偿，并由ＯＵＴ管脚直接输出补偿后的电压信号。信号处理器对电桥的供电可设置为恒流供电或恒压供电，本设计选用恒流供电模式。补偿完成后的传感器在低温－４０℃和高温６０℃零位差值不大于０．００５Ｖ，且温度范围内输出稳定。
2环境试验
2.1力学试验
传感器力学试验包括振动试验、模拟运输试验、冲击试验和过载试验。振动试验和模拟运输试验均在电动振动台上进行，冲击试验在跌落式冲击台上进行，过载试验在中型离心机上进行。试验方向均沿产品相互正交的３个方向，试验过程中传感器通电测试，传感器输出需满足零点输出要求，传感器外观无损伤。
2.2自然环境试验
传感器自然环境试验包括低气压试验、温度循环试验、湿热试验、高温试验、低温试验、温度冲击试验、霉菌试验和盐雾试验。试验过程中产品在环境试验箱通电检测。试验中的传感器输出正常，试验后产品结构完好，在常规条件（温度：２０℃，湿度：３０％～５０％）下加电测试传感器的性能指标，结果和试验前的指标基本保持一致，说明该传感器可以经受自然环境的考核。传感器高温试验温度为１５０℃，保温时间２ｈ，试验系统原理，将传感器装到加压工装上，工装和传感器放入温度试验箱中，工装通过油管与箱外活塞式压力计连接，传感器通过测试电缆与箱外电源和数字表连接。
2.3电磁兼容试验
电磁兼容试验考核的试验项目包括ＣＥ１０２、ＣＳ１０１、ＣＳ１１４、ＣＳ１１５、ＣＳ１１６及ＲＳ１０３测试。试验中传感器未发生异常现象，试验后传感器的电气性能输出均正常，传感器电磁兼容性可以满足大多数工程应用中使用要求。
结论
高可靠性压力传感器在军事和民用领域均有十分重要的应用价值，本文提出了一种高可靠性压力传感器的设计方法。通过各项试验对传感器进行了性能验证，经试验与测试表明，采用该设计的压力传感器不仅可靠性高，且尺寸小，重量轻，能够满足高可靠性工程领域的使用需求。目前该产品已在实际工程中应用，测试效果良好。针对工程应用中对高可靠性压力传感器的使用需求，提出了高可靠性压力传感器的设计方法，设计的传感器机械结构简单，密封性能优良;电路采用温度补偿设计，温度范围内精度高。传感器通过了可靠性强化试验的考核，试验表明该传感器可以满足极端环境的应用需求。
参考文献：
[1]张曙坚,夏状东,姚福龙,张林伟.NCP5A5型高可靠性压力传感器的设计[J].机车电传动,2015(03):56-58+61.
[2]马婷婷,马书鯼,张爱军.MEMS压力传感器工艺可靠性测试评价[J].电子器件,2017,40(06):1359-1363.
[3]李叶.高温压力传感器的特性测试技术研究[D].中北大学,2012.
[4]谭小瑜.提高压力变送器可靠性研究[D].华南理工大学,2015.
论文作者:张洪亮,王曼曼
论文发表刊物:《电力设备》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/14
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