| 擴(kuò)散硅壓力傳感器的不銹鋼隔離膜片充油封裝研究 |
| 信息來源： 擴(kuò)散硅壓力傳感器 | 2022-09-19 點(diǎn)擊量： 9841 |
在工業(yè)化迅速發(fā)展的大時(shí)代，缺少不了壓力變送器、流量計(jì)、液位計(jì)、密度計(jì)、差壓變送器等儀表把現(xiàn)場第一數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)上，為整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)充當(dāng)控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業(yè)現(xiàn)場最前沿的壓力變送器使用情況。
測量范圍：0～200N；供電電壓：≤10V.dc；靈敏度：≥1.5mV/V；準(zhǔn)確度：0.2級(jí)；工作溫度：-25℃～125℃；響應(yīng)時(shí)間：≤1ms。
三、研究內(nèi)容
實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目需重點(diǎn)研究的內(nèi)容如下：1、彈性體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)；2、聚酰亞胺薄膜表面處理工藝研究；3、過渡薄膜層淀積研究；4、干法刻蝕工藝研究。
四、擬采取的研究技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
?。ㄒ唬┘夹g(shù)路線
借鑒參考國外的反推力測量方案和產(chǎn)品技術(shù)路線，設(shè)計(jì)一種空心柱式傳感器彈性體，以便直接穿過噴氣管，彈性體與傳力塊連接，或者在彈性體上端設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)螺紋口直接與喇叭形噴頭連接。研究制造薄膜電橋應(yīng)變計(jì)用于檢測彈性體受力后的變形。
1、彈性體設(shè)計(jì)
空心圓柱在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，ε為材料的軸向線應(yīng)變，σ為作用于材料的軸向應(yīng)力，E為彈性體的彈性模量，S為圓筒的橫截面積，F(xiàn)為作用在彈性元件上的集中力。
空心圓柱彈性元件的內(nèi)外直徑根據(jù)材料的允許應(yīng)力σb來計(jì)算：由于F/S = σb，要不超過材料的允許應(yīng)力則有S≥F/σb，即：D為空心圓柱的外徑，d為空心圓柱的內(nèi)徑。選擇D和d時(shí)，考慮到構(gòu)件的穩(wěn)定性及加工條件，空心圓柱的壁不能太薄，兩端的剛度要足夠。彈性元件的高度對(duì)傳感器的精度和動(dòng)態(tài)特性都有影響，由材料力學(xué)可知，高度對(duì)沿其橫截面的變形有影響，當(dāng)高度與直徑的比值H/D≥1時(shí)，沿其中間斷面上的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的載荷性質(zhì)和接觸條件無關(guān)。彈性元件上應(yīng)變片的粘貼和橋路的連接應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響。若想提高靈敏度，即在給定力作用下產(chǎn)生較大的應(yīng)變ε，必須減小橫斷面積S，但S的減小受到許用力和線性要求的限制。若S允許減小，其抗彎能力也減弱。這樣，對(duì)橫向干擾力敏感。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用橫向剛度大、縱向剛度小的膜片是消除橫向力影響的一個(gè)良好措施。具體設(shè)計(jì)中將著重考慮如何利用雙層膜片來降低對(duì)偏心以及側(cè)向負(fù)荷的敏感。
2、應(yīng)變電阻設(shè)計(jì)
對(duì)于應(yīng)變電阻，受到軸向力而被拉伸（或壓縮）時(shí)，如電阻采取縱橫雙向排列組成惠斯登全橋，對(duì)臂電阻相互匹配，應(yīng)變計(jì)安裝到彈性體的最大應(yīng)變區(qū)。
3、應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)方案
傳統(tǒng)的應(yīng)變計(jì)是采用粘貼膠將電阻絲或電阻箔粘貼到絕緣基片上而成。粘貼應(yīng)變計(jì)中的粘貼膠會(huì)引起傳感器的零點(diǎn)蠕變和漂移，而且由于膠的存在致使這種傳感器不能用于惡劣環(huán)境，頻響收到限制。
本項(xiàng)目研究一種精度高、響應(yīng)快、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)的薄膜應(yīng)變計(jì)。技術(shù)路線是：用聚酰亞胺作應(yīng)變計(jì)的基底，采用離子束濺射技術(shù)在基底上分別淀積制造過渡介質(zhì)薄膜、鎳鎘合金薄膜、鈍化保護(hù)膜和引線電極層，利用激光技術(shù)將合金薄膜刻成電橋圖形形成應(yīng)變計(jì)。
?。ǘ╆P(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
1、薄膜應(yīng)變計(jì)的基片處理本文介紹了目前市場較為常見的幾種壓力傳感器的封裝形式，對(duì)其中不銹鋼隔離波紋膜片封裝結(jié)構(gòu)和模型進(jìn)行行了詳細(xì)的介紹和分析，總結(jié)了不銹鋼隔充油離膜片封裝結(jié)構(gòu)中，波紋膜片、硅膠、敏感芯片選型要求，并對(duì)封裝焊接工藝做了詳細(xì)的研究。
一、封裝的基本要求及典型封裝形式
一般來說，壓力傳感器的封裝應(yīng)依據(jù)傳感器測量原理、芯片的結(jié)構(gòu)、以及被測量對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境的不同，確定其封裝的要求。在武器裝備等軍事應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)傳感器封裝的要求很高，在民品應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)封裝的要求可適當(dāng)?shù)姆艑?。與加速度、諧振器和陀螺儀等其他傳感器相比，壓力傳感器用于壓力測量時(shí)，其壓力芯片通常必須直接暴露在被測量的流體中，這就要求采用既能保護(hù)芯片，又能傳遞壓力的方法對(duì)壓力傳感器進(jìn)行封裝，因此，其封裝要求和難度相當(dāng)較高?？偟膩碚f，壓力傳感器的封裝應(yīng)該滿足以下幾方面的要求：
1）機(jī)械上應(yīng)該是堅(jiān)固的，可以抗振動(dòng)，抗沖擊；2）應(yīng)當(dāng)避免熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響；3）電氣上要求芯片與環(huán)境或大地是絕緣的；
4）電磁上要求是屏敝的；
5）用氣密的方式隔離腐蝕氣體或流體，或通過非氣密隔離方式隔離水氣；6）低價(jià)格，封裝形式與標(biāo)準(zhǔn)制造工藝兼容。圖1是壓力傳感器市場上常用的幾種封裝形式。圖（a）是TO封裝外型，（b）是氣密充油的不銹鋼封裝，（c）是小外形塑料封裝（SOP），這三種封裝形式為壓力敏感頭，（d）是不銹鋼封裝的壓力傳感器產(chǎn)品壓力變送器。
（a） （b）（c） （d）圖1、壓力傳感器的幾種典型封裝形式二、TO 封裝結(jié)構(gòu)
壓力傳感器TO封裝是一種低成本的封裝形式，屬非氣密封裝，主要用于監(jiān)測非腐蝕氣體和與干燥空氣介質(zhì)兼容的氣體。其應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車儀表、醫(yī)藥衛(wèi)生、氣體控制系統(tǒng)、空調(diào)、制冷設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測和儀器儀表等。TO封裝屬于傳感器的一次封裝，在使用時(shí)需根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境對(duì)傳感器進(jìn)行二次封裝，以滿足性能和可靠性要求。如圖2所示為TO封裝的壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。圖中所示的壓力傳感器是絕壓芯片。TO封裝的工藝包括芯片與玻璃的靜電鍵合、貼片、引線鍵合、封帽及涂膠保護(hù)。
圖2 TO封裝壓力傳感器結(jié)構(gòu)
三、不銹鋼隔離波紋膜片封裝
如圖3所示為不銹鋼隔膜片封裝的硅壓阻壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖，這種封裝結(jié)構(gòu)為氣密封裝。該壓力傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、工業(yè)自動(dòng)化控制、汽車等領(lǐng)域。它的固態(tài)應(yīng)變膜片特性、不銹鋼隔膜結(jié)構(gòu)和極好的動(dòng)態(tài)性能可滿足信號(hào)對(duì)壓力傳感器的高穩(wěn)定、高可靠、低功耗、動(dòng)態(tài)測試等的要求。它不但可以進(jìn)行普通的氣體及液體的壓力測量，而且可以用于腐蝕性的氣體及液體如酸、堿及各種液體推進(jìn)劑等的壓力測量。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非常有利于發(fā)展成系列化的、通用型的傳感器。
圖3、鋼隔離膜片封裝壓力傳感器結(jié)構(gòu)
這種隔離膜壓力傳感器頭由金屬基座、管殼、硅油、傳感器壓力芯片及不銹鋼膜片組成。其主要的制造工藝為：硅芯片選用靜電鍵合工藝封接而成，封接好的芯片用膠接工藝貼在管殼基座上，芯片上的焊盤與管座上的引腳是用Au絲引線連接起來的。不銹鋼隔膜與殼體采用熔焊工藝進(jìn)行焊接，焊接工藝常用激光焊接、氬弧焊、微束等離子焊接或電子束焊接等。硅油灌充工藝一般采用真空灌充技術(shù)，可基本消除殘余氣體對(duì)隔離測壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。硅壓阻壓力傳感器本身有一個(gè)固有的特性，就是溫度系數(shù)較大，因此需要對(duì)其進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。常用的溫補(bǔ)方式是在應(yīng)變電橋上附加電阻網(wǎng)絡(luò)，通過測試及計(jì)算其高低溫特性，確定網(wǎng)絡(luò)阻值，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。這種傳感器的測量原理是外界壓力通過硅油傳遞到敏感芯片上，再由敏感芯片測出壓力。然而，在考慮硅油的熱膨脹的情況時(shí)，填充在腔體中的硅油量應(yīng)盡可能的少，否則，硅油在不同溫度下的體積膨脹將會(huì)對(duì)測量壓力帶來較大的誤差，而且很容易引起傳感器的溫度漂移。
四、影響壓力傳感器性能關(guān)鍵因素分析
1、不銹鋼隔離膜片
不銹鋼隔離膜片的設(shè)計(jì)與硅膜片的設(shè)計(jì)一樣，要求在測量壓力范圍內(nèi)，其變形處在線彈性范圍內(nèi)。為了提高膜片的變形量，又能夠增加其線性范圍，人們通常將不銹鋼膜片設(shè)計(jì)成波紋狀。波狀的薄膜在同樣的載荷下既能產(chǎn)生較大的變形，又能增加線性范圍。這種薄膜的撓度y與壓力P的關(guān)系表達(dá)式為[2]：
其中
式中q是薄膜波形特征因子，對(duì)正弦波型其q為：
式中，h＝膜片的厚度，R＝膜片的半徑，s＝波形弧長；H＝波形深度；L＝波形空間周期。對(duì)平的薄膜q＝1，波形的精確程度對(duì)q幾乎沒有影響，因此矩形波形一般可用弦波近似。圖4給出了波紋片樣品。
圖4 波紋片樣品
2、隔離波紋膜片的彈性模型
為了分析壓力通過隔離薄膜的傳遞規(guī)律，我們對(duì)這種封裝形式的傳感器作如下假設(shè)，即假設(shè)硅油是不可壓縮的，不銹鋼膜片可看成周邊固支的圓形薄膜，則壓力通過硅油傳遞到硅薄膜將不引起任何附加損耗。簡化模型如圖5所示。因此，當(dāng)外界作用在傳感器上的壓力為P時(shí)，壓力通過不銹鋼膜片再由硅油傳遞到硅壓力芯片上，若不銹鋼膜片的彈性反作用力為Pg硅的彈性反作用力為PSi，則有：
圖5 隔離薄膜壓力傳感器彈性簡化模型
此模型總剛度系數(shù)為：1/k=1/K1+1/k2+1/k3，其中K為總剛度系數(shù)，K1、K2、K3分別為銹鋼膜片剛度系數(shù)、薄膜的剛度系數(shù)、硅膠的剛度系數(shù)。顯然如要壓力更好的傳遞到芯片上，選用的不銹鋼膜片剛度系數(shù)、硅薄膜的剛度系數(shù)其越小越好，即不銹鋼隔離薄膜的半徑越大、薄膜厚度越薄，壓力越容易通過硅油傳遞到硅芯片上，壓力的傳遞損失也越小(同樣壓力產(chǎn)生的擾度越大)。
3、硅油的溫度特性對(duì)壓力傳感器性能的影響
任何液體的體積隨溫度變化將發(fā)生變化，硅油也不例外。硅油的熱膨脹系數(shù)為（0.7～0.9）×10-2/℃，當(dāng)傳感器在－30～80℃溫區(qū)工作時(shí)，全溫區(qū)內(nèi)封裝殼體內(nèi)硅油的體積變化量為8％～9％。當(dāng)假設(shè)硅油為理想的不可壓縮物質(zhì)時(shí)，這一變化量是有規(guī)律的并可由隔離膜片在彈性范圍內(nèi)，在定標(biāo)時(shí)進(jìn)行修正。但如果硅油和工件凈化不充分，硅油和傳感器內(nèi)混有空氣、水分等可壓縮易揮發(fā)的物質(zhì)，那么硅油在全程溫度工作范圍內(nèi)將無規(guī)律變化，而這一變化量在全密封的傳感器室內(nèi)形成的力就會(huì)作用在芯片上，使傳感器的輸出特性隨環(huán)境溫度而發(fā)生無規(guī)律的變化，這樣傳感器的溫度特性和長期穩(wěn)定性非常差，因此，在封裝時(shí)要對(duì)硅油進(jìn)行加熱真空凈化處理，并在真空環(huán)境下將硅油沖入壓力傳感器封裝腔體里，凈化加熱溫度為120℃，時(shí)間在半小時(shí)以上。此外，在焊接過程中，會(huì)引起硅油的分解或改變硅油的性能，這－問題在封裝工藝的過程中應(yīng)盡量避免。
五、封焊工藝研究
由于軍事、工業(yè)用壓力傳感器的的使用溫度范圍一般在-40℃-125℃內(nèi)，如果焊接時(shí)，高溫時(shí)間過長，可能會(huì)造成敏感芯片損壞和硅油在高溫下分解，所以要求焊接過程短，局部加熱，焊縫位置符合氣密檢測標(biāo)準(zhǔn)（注：焊接需要在硅油中進(jìn)行）。針對(duì)以上特點(diǎn)我們采用的是儲(chǔ)能焊接工藝，焊接結(jié)構(gòu)及焊接過程示意圖如圖6與圖7所示：
(6）焊接結(jié)構(gòu) (7)焊接過程示意圖我們分別用電容儲(chǔ)能焊和中頻直流逆變式儲(chǔ)能焊對(duì)傳感器樣件進(jìn)行了封焊。電容儲(chǔ)能焊電流較大，焊后表面溫度高于中頻直流逆變式，且其工件表面焊接效果有明顯壓痕；中頻直流逆變式儲(chǔ)能焊（圖8）焊接時(shí)間和能量可以調(diào)節(jié)，能夠二次放電，焊接后表面溫度，其相較于較低電容儲(chǔ)能焊的壓力較小，焊接后的工件表面壓痕不明顯。
圖8 焊接現(xiàn)場(中頻直流逆變式
從我們封裝好的壓力傳感器的測試情況來看，兩種焊接過程對(duì)傳感器的敏感芯片基本沒有損傷，都能滿足傳感器的性能要求。通過傳感器的封焊過程研究和對(duì)封裝好的傳感器測試情況來看，可以得出以下結(jié)論：
1、儲(chǔ)能焊可以在硅油中焊接；
2、焊接過程電流、溫度并未對(duì)敏感芯片造成影響；3、焊接的密封能夠達(dá)到氣密檢測要求，儲(chǔ)能焊接能夠滿足擴(kuò)散硅傳感器不銹鋼隔離膜片封裝要求。 本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！
聚酰亞胺薄膜基片在合成方法上具有其他高分子所難以具備的易變通性，合成途徑多種、形式多，可由聚苯并咪唑、聚苯并啞唑、聚苯并噻唑、聚喹啞啉和聚喹啉等單體合成。但主要由二元酐和二元胺，在極性溶劑/甲醇混合溶劑中進(jìn)行低溫縮聚、成膜加熱、脫水，表面再輔以芳香族聚酯亞胺等光膠物而成?；眉艉笫紫冗M(jìn)行超聲清洗，清洗好的基片在鍍膜前的裝片過程難免再受到環(huán)境的污染，表面吸附塵埃、纖微等污染物，需要在裝片后再次清洗。更重要的是要除去聚酰亞胺膜表面不利于金屬原子結(jié)合的芳香聚酯物。處理方法是采用離子束除去加工技術(shù)對(duì)基片表面進(jìn)行處理。
2、過渡層薄膜淀積研究
聚酰亞胺基片在檢驗(yàn)、劃片、裝片等工藝過程難免受到劃傷出現(xiàn)亞微米的劃痕，在其表面直接淀積薄膜將導(dǎo)致不均勻甚至不連續(xù)的缺陷，是薄弱失效部位，需研究淀積過渡薄膜層以保證薄膜的質(zhì)量，并增強(qiáng)薄膜與基片的結(jié)合力，改善膜和基片的應(yīng)力匹配。
1）、填補(bǔ)劃痕
基片表面的劃痕可能造成薄膜塌陷部位的厚度（σ）小于0.2μｍ，這種電阻薄膜是很不可靠的，顯微鏡觀測無法分辨其缺陷，因此在工藝設(shè)計(jì)上需采取相應(yīng)的措施。
在聚酰亞胺和薄膜之間淀積過渡薄膜層，可解決這個(gè)問題。淀積過渡層以后，薄膜的塌陷隨著過渡層厚度的增加，塌陷部位角度增大、深度減小。對(duì)于基片1μｍ深的劃痕，設(shè)計(jì)合理的過渡層厚度，以保證上層膜塌陷部位的最小厚度大于0.3μｍ。
2）增強(qiáng)與基片的結(jié)合力
與高分子材料基片結(jié)合層的薄膜首先以小島結(jié)構(gòu)形式存在，然后向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過渡，最后形成連續(xù)的薄膜。在薄膜的界面處有大量空位、錯(cuò)位、晶粒間界和雜質(zhì)等缺陷，即使通過熱處理仍然有非平衡的缺陷存在，這種非平衡的缺陷將導(dǎo)致薄膜的不穩(wěn)定，在環(huán)境溫度變化或電負(fù)荷作用下會(huì)引起不可逆的變化。
在基片上先聚焦離子源轟擊靶材，淀積一層難溶金屬薄膜，可顯著增強(qiáng)薄膜的結(jié)合力和穩(wěn)定性。難熔金屬原子的移動(dòng)性低，薄膜淀積時(shí)形成的所有結(jié)構(gòu)缺陷都能保留下來，在很寬的溫度范圍內(nèi)也不可能發(fā)生變化，穩(wěn)定性能高。
儀器儀表是工業(yè)化進(jìn)程的基石，只有選用工業(yè)現(xiàn)場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動(dòng)化流程才能夠更加自動(dòng)化。
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