压力传感器过载保护方案

压力传感器的过载保护和封装技术压力传感器的过载保护和封装技术 庞启国 二 三年六月二十一日 随着硅微机械加工和 MEMS 技术的发展 国外的传感器越来越多地采用硅 微机械传感器 这种新型的传感器与传统的传感器相比 具有体积小 易集成 成本低 功耗小 速度快 可靠性高以及精度高等特点 把这种传感器与集成 电路进一步集成在一起 可构成功能强大的智能传感器 而智能传感器是本世 纪传感器技术发展的主要方向 因此 硅微机械传感器已成为国内外传感器研 究的热点 但是 硅压力传感器都存在抗过载能力差的问题 主要原因是由于硅材料 的易碎性造成的 因此 采用硅膜片制造压力传感器就必须考虑过载保护的问 题 过载保护和传感器封装技术是国外压力传感器的关键技术之一 这也是硅 微机械压力传感器能否成功应用的关键 因此 对压力传感器的过载保护的研 究是非常必要的 现在普遍采用的是三膜片保护技术 其结构如下图所示 膜盒正负侧压力通过两侧的隔离膜片及硅油分别传递到过载保护膜片的两 侧 然后再分别传递到传感器的硅膜片的上下侧 使硅膜片发生变形 其变形 量与差压成正比 将此变形量转换成电信号即可知道正负侧差压的大小 其过载保护的原理如下 本体 传感器 颈环 隔离膜片 过载保护膜片 负侧 一 单向过载保护 当单侧过压时 过压侧的隔离膜片会因压力过大而紧贴传感器本体 从而 过大的压力就无法传递到传感器上 因此传感器不会损坏 传感器本体上车有 保护波 其波形能与隔离膜片的波形很好地吻合 从而保证传感器单向过压时 其隔离膜片不会损坏 隔离膜片起到传递压力的作用 其刚度一般较小 过载 保护膜片 即中心膜片 起到隔离两侧压力的作用 其刚度一般较大 但是也 不允许无穷大 是有限制的 这主要取决于传感器的过载能力 一般来说 硅 膜片的过载能力只有其最大量程的 1 5 倍 因此 过载保护膜片的刚度取决于 当膜盒两侧的差压达到其最大量程的 1 5 倍之前 过压侧的隔离膜片就能贴到 膜盒本体 由于充灌液的不可压缩性 当单向过压时 过压侧的充灌液就向过 载保护膜片侧的容腔泄放 因此 单向过压时 过载保护膜片必须要能产生足 够大的变形 以便能让出足够的空间容纳过压侧的硅油 但是 过载保护膜片 的刚度不能太小 若太小 则膜盒两侧的差压加不到其满量程 就已被单向过 载保护 从而导致满量程达不到 一般来说 膜盒充灌后需测其刚度 以确认 当其单向过载时 隔离膜片是否能贴到膜盒本体 否则需调整其充灌液的量 这里需要说明的是 过载保护膜片两侧的容腔都要比两侧隔离膜片的容腔大 否则 当单向过载时 隔离膜片无法贴到膜盒本体 从而无法起到过载保护的 作用 因此 过载保护膜片无论如何也不会贴到膜盒本体 二 双向 静压 过载保护 当双向过压时 膜盒的结构本身起不到过压保护的作用 但在很大的静压 下传感器为什么还不会损坏呢 这其实与硅膜片的结构和材料的物理特性有关 比如一块玻璃 在其两端垫上砖头 然后在其中间施加不大的力它就会破碎 然而 当把它放到平整的桌面上 即使一个大汉站到上面走 它也不会坏 这 就是硅膜片单向过载压力低 双向过载压力很高的道理 硅的机械特性与玻璃 很接近 因此 硅压力传感器的系统压力 即静压 一般都很高 但也不是无 限高 有一定的极限 但通常都足够满足我们的要求 然而 我们往往会形成 一个错误的认识 认为三膜片结构实现单向过载保护没问题 而无法实现双向 过载保护 传感器封装除了要考虑过载 还要考虑结构和隔离膜片刚度的对称性及两 侧的硅油量尽量相等 这对温度漂移 长期漂移 静压影响都是非常重要的 电容差压传感器的设计原理是建立在结构对称的基础之上的 因此 保证 传感器的对称性是电容传感器的设计和生产工艺中必须严格保证的重中之重 针对我厂生产的电容传感器 我认为可以作以下改进 1 将隔离膜片直接焊接在膜座上 并且膜座上车保护波 其波形与隔离膜 片的波形要能很好地吻合 隔离膜片焊接后应加高压气整形 使其与膜座上的 波形进一步地吻合 这样可以做到传感器两侧的对称性 充灌液的量也可保证 一致 我们原来的做法是 将膜座与膜盒体焊接后 再焊隔离膜片 往往传感 器两侧隔离膜片与本体的高度相差 0 2 0 3mm 这是原设计中有意这样做的 原来的目的是 待膜座与膜盒体焊接后 再将膜座和膜盒体一起车平 这在设 计上就给传感器的质量留下严重的隐患 因为在焊接后再上车床 必然会在传 感器内留下铁屑和油污 这样造成的后果是不堪设想的 影响传感器性能的焊 缝也多了两条 本来只需要三条 这样做却变成了五条 传感器的本体上没有 保护波 其结构也决定了其无法车保护波 因此 两侧的隔离膜片的高度根本 无法控制 从而硅油量也无法控制 本来电容传感器的性能主要是由其对称性 来保证的 如果做不到对称 其性能就根本无法保证 因此其漂移量很大 2 充灌后需做两侧充灌液的调整 用专用夹具保证两侧隔离膜片高度一致 从而也保证了两侧的充灌液的量一致 3 充灌液的质量必须严格控制 进厂必须严格检验 应不包含水蒸汽和杂 质 杂质检查可通过高倍显微镜观察 水蒸汽检查可通过煮沸的方法检查 充 灌时真空度必须严格保证 做到这些可以减少温度漂移 4 充灌液的密封采用螺钉压钢球的形式 孔底需加工锥面 对其形位公差 和光洁度严格把关 密封孔的加工工序必须单独分开 用专用车床 专用刀具 专人加工 这样可保证传感器不漏油 也可以采用铂金管作为充灌通道 同时 又作为电极 这种方式简单可靠 减少了钻充灌孔的工序 从而也减少了出问 题的机率 总之 工序越少越可靠 5 机械加工完后 必须设专门工序 用专用工具打毛刺 特别是传感器上 不允许有毛刺 因为毛刺一方面会造成结合面结合不好或损伤膜片 另一方面 有可能脱落造成电极短路 6 必须严格保证膜座和膜片的清洁度 否则 不但会影响焊接质量 而且 还会影响传感器的性能 7 传感器