在工业化迅速发展的大时代，缺少不了压力变送器、流量计、液位计、密度计、差压变送器等仪表把现场第一数据实时传输到工控系统上，为整个工业自动化系统充当控制、检测等一系列的眼睛，接下来华恒仪表为您解读工业现场最前沿的压力变送器使用情况。

　　测量范围：0～200N；供电电压：≤10V.dc；灵敏度：≥1.5mV/V；准确度：0.2级；工作温度：-25℃～125℃；响应时间：≤1ms。

　　三、研究内容

　　实现本项目需重点研究的内容如下：1、弹性体结构形式设计；2、聚酰亚胺薄膜表面处理工艺研究；3、过渡薄膜层淀积研究；4、干法刻蚀工艺研究。

　　四、拟采取的研究技术路线及关键技术难点

　　（一）技术路线

　　借鉴参考国外的反推力测量方案和产品技术路线，设计一种空心柱式传感器弹性体，以便直接穿过喷气管，弹性体与传力块连接，或者在弹性体上端设计标准螺纹口直接与喇叭形喷头连接。研究制造薄膜电桥应变计用于检测弹性体受力后的变形。

　　1、弹性体设计

　　空心圆柱在弹性范围内应力与应变成正比关系，ε为材料的轴向线应变，σ为作用于材料的轴向应力，E为弹性体的弹性模量，S为圆筒的横截面积，F为作用在弹性元件上的集中力。

　　空心圆柱弹性元件的内外直径根据材料的允许应力σb来计算：由于F/S = σb，要不超过材料的允许应力则有S≥F/σb，即：D为空心圆柱的外径，d为空心圆柱的内径。选择D和d时，考虑到构件的稳定性及加工条件，空心圆柱的壁不能太薄，两端的刚度要足够。弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响，当高度与直径的比值H/D≥1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。弹性元件上应变片的粘贴和桥路的连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响。若想提高灵敏度，即在给定力作用下产生较大的应变ε，必须减小横断面积S，但S的减小受到许用力和线性要求的限制。若S允许减小，其抗弯能力也减弱。这样，对横向干扰力敏感。在结构设计上采用横向刚度大、纵向刚度小的膜片是消除横向力影响的一个良好措施。具体设计中将着重考虑如何利用双层膜片来降低对偏心以及侧向负荷的敏感。

　　2、应变电阻设计

　　对于应变电阻，受到轴向力而被拉伸（或压缩）时，如电阻采取纵横双向排列组成惠斯登全桥，对臂电阻相互匹配，应变计安装到弹性体的最大应变区。

　　3、应变计设计方案

　　传统的应变计是采用粘贴胶将电阻丝或电阻箔粘贴到绝缘基片上而成。粘贴应变计中的粘贴胶会引起传感器的零点蠕变和漂移，而且由于胶的存在致使这种传感器不能用于恶劣环境，频响收到限制。

　　本项目研究一种精度高、响应快、耐恶劣环境能力强的薄膜应变计。技术路线是：用聚酰亚胺作应变计的基底，采用离子束溅射技术在基底上分别淀积制造过渡介质薄膜、镍镉合金薄膜、钝化保护膜和引线电极层，利用激光技术将合金薄膜刻成电桥图形形成应变计。

　　（二）关键技术难点

　　1、薄膜应变计的基片处理本文介绍了目前市场较为常见的几种压力传感器的封装形式，对其中不锈钢隔离波纹膜片封装结构和模型进行行了详细的介绍和分析，总结了不锈钢隔充油离膜片封装结构中，波纹膜片、硅胶、敏感芯片选型要求，并对封装焊接工艺做了详细的研究。

　　一、封装的基本要求及典型封装形式

　　一般来说，压力传感器的封装应依据传感器测量原理、芯片的结构、以及被测量对象和应用环境的不同，确定其封装的要求。在武器装备等军事应用领域中，对传感器封装的要求很高，在民品应用领域，对封装的要求可适当的放宽。与加速度、谐振器和陀螺仪等其他传感器相比，压力传感器用于压力测量时，其压力芯片通常必须直接暴露在被测量的流体中，这就要求采用既能保护芯片，又能传递压力的方法对压力传感器进行封装，因此，其封装要求和难度相当较高。总的来说，压力传感器的封装应该满足以下几方面的要求：

　　1）机械上应该是坚固的，可以抗振动，抗冲击；2）应当避免热应力对芯片的影响；3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；

　　4）电磁上要求是屏敝的；

　　5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气；6）低价格，封装形式与标准制造工艺兼容。图1是压力传感器市场上常用的几种封装形式。图（a）是TO封装外型，（b）是气密充油的不锈钢封装，（c）是小外形塑料封装（SOP），这三种封装形式为压力敏感头，（d）是不锈钢封装的压力传感器产品压力变送器。

　　（a）                                                    （b）（c）                                                   （d）图1、压力传感器的几种典型封装形式二、TO 封装结构

　　压力传感器TO封装是一种低成本的封装形式，属非气密封装，主要用于监测非腐蚀气体和与干燥空气介质兼容的气体。其应用领域包括汽车仪表、医药卫生、气体控制系统、空调、制冷设备、环境监测和仪器仪表等。TO封装属于传感器的一次封装，在使用时需根据其应用环境对传感器进行二次封装，以满足性能和可靠性要求。如图2所示为TO封装的压力传感器结构图。图中所示的压力传感器是绝压芯片。TO封装的工艺包括芯片与玻璃的静电键合、贴片、引线键合、封帽及涂胶保护。

　　图2 TO封装压力传感器结构

　　三、不锈钢隔离波纹膜片封装

　　如图3所示为不锈钢隔膜片封装的硅压阻压力传感器结构图，这种封装结构为气密封装。该压力传感器广泛地应用于航天、航空、工业自动化控制、汽车等领域。它的固态应变膜片特性、不锈钢隔膜结构和极好的动态性能可满足信号对压力传感器的高稳定、高可靠、低功耗、动态测试等的要求。它不但可以进行普通的气体及液体的压力测量，而且可以用于腐蚀性的气体及液体如酸、碱及各种液体推进剂等的压力测量。它的结构特点非常有利于发展成系列化的、通用型的传感器。

　　图3、钢隔离膜片封装压力传感器结构

　　这种隔离膜压力传感器头由金属基座、管壳、硅油、传感器压力芯片及不锈钢膜片组成。其主要的制造工艺为：硅芯片选用静电键合工艺封接而成，封接好的芯片用胶接工艺贴在管壳基座上，芯片上的焊盘与管座上的引脚是用Au丝引线连接起来的。不锈钢隔膜与壳体采用熔焊工艺进行焊接，焊接工艺常用激光焊接、氩弧焊、微束等离子焊接或电子束焊接等。硅油灌充工艺一般采用真空灌充技术，可基本消除残余气体对隔离测压系统的影响，提高传感器的精度及稳定性。硅压阻压力传感器本身有一个固有的特性，就是温度系数较大，因此需要对其进行温度误差补偿。常用的温补方式是在应变电桥上附加电阻网络，通过测试及计算其高低温特性，确定网络阻值，以达到温度补偿的目的。这种传感器的测量原理是外界压力通过硅油传递到敏感芯片上，再由敏感芯片测出压力。然而，在考虑硅油的热膨胀的情况时，填充在腔体中的硅油量应尽可能的少，否则，硅油在不同温度下的体积膨胀将会对测量压力带来较大的误差，而且很容易引起传感器的温度漂移。

　　四、影响压力传感器性能关键因素分析

　　1、不锈钢隔离膜片

　　不锈钢隔离膜片的设计与硅膜片的设计一样，要求在测量压力范围内，其变形处在线弹性范围内。为了提高膜片的变形量，又能够增加其线性范围，人们通常将不锈钢膜片设计成波纹状。波状的薄膜在同样的载荷下既能产生较大的变形，又能增加线性范围。这种薄膜的挠度y与压力P的关系表达式为[2]：

　　其中

　　式中q是薄膜波形特征因子，对正弦波型其q为：

　　式中，h＝膜片的厚度，R＝膜片的半径，s＝波形弧长；H＝波形深度；L＝波形空间周期。对平的薄膜q＝1，波形的精确程度对q几乎没有影响，因此矩形波形一般可用弦波近似。图4给出了波纹片样品。

　　图4 波纹片样品

　　2、隔离波纹膜片的弹性模型

　　为了分析压力通过隔离薄膜的传递规律，我们对这种封装形式的传感器作如下假设，即假设硅油是不可压缩的，不锈钢膜片可看成周边固支的圆形薄膜，则压力通过硅油传递到硅薄膜将不引起任何附加损耗。简化模型如图5所示。因此，当外界作用在传感器上的压力为P时，压力通过不锈钢膜片再由硅油传递到硅压力芯片上，若不锈钢膜片的弹性反作用力为Pg硅的弹性反作用力为PSi，则有：

　　图5 隔离薄膜压力传感器弹性简化模型

　　此模型总刚度系数为：1/k=1/K1+1/k2+1/k3，其中K为总刚度系数，K1、K2、K3分别为锈钢膜片刚度系数、薄膜的刚度系数、硅胶的刚度系数。显然如要压力更好的传递到芯片上，选用的不锈钢膜片刚度系数、硅薄膜的刚度系数其越小越好，即不锈钢隔离薄膜的半径越大、薄膜厚度越薄，压力越容易通过硅油传递到硅芯片上，压力的传递损失也越小(同样压力产生的扰度越大)。

　　3、硅油的温度特性对压力传感器性能的影响

　　任何液体的体积随温度变化将发生变化，硅油也不例外。硅油的热膨胀系数为（0.7～0.9）×10-2/℃，当传感器在－30～80℃温区工作时，全温区内封装壳体内硅油的体积变化量为8％～9％。当假设硅油为理想的不可压缩物质时，这一变化量是有规律的并可由隔离膜片在弹性范围内，在定标时进行修正。但如果硅油和工件净化不充分，硅油和传感器内混有空气、水分等可压缩易挥发的物质，那么硅油在全程温度工作范围内将无规律变化，而这一变化量在全密封的传感器室内形成的力就会作用在芯片上，使传感器的输出特性随环境温度而发生无规律的变化，这样传感器的温度特性和长期稳定性非常差，因此，在封装时要对硅油进行加热真空净化处理，并在真空环境下将硅油冲入压力传感器封装腔体里，净化加热温度为120℃，时间在半小时以上。此外，在焊接过程中，会引起硅油的分解或改变硅油的性能，这－问题在封装工艺的过程中应尽量避免。

　　五、封焊工艺研究

　　由于军事、工业用压力传感器的的使用温度范围一般在-40℃-125℃内，如果焊接时，高温时间过长，可能会造成敏感芯片损坏和硅油在高温下分解，所以要求焊接过程短，局部加热，焊缝位置符合气密检测标准（注：焊接需要在硅油中进行）。针对以上特点我们采用的是储能焊接工艺，焊接结构及焊接过程示意图如图6与图7所示：

　　(6）焊接结构                                                               (7)焊接过程示意图我们分别用电容储能焊和中频直流逆变式储能焊对传感器样件进行了封焊。电容储能焊电流较大，焊后表面温度高于中频直流逆变式，且其工件表面焊接效果有明显压痕；中频直流逆变式储能焊（图8）焊接时间和能量可以调节，能够二次放电，焊接后表面温度，其相较于较低电容储能焊的压力较小，焊接后的工件表面压痕不明显。

　　图8 焊接现场(中频直流逆变式

　　从我们封装好的压力传感器的测试情况来看，两种焊接过程对传感器的敏感芯片基本没有损伤，都能满足传感器的性能要求。通过传感器的封焊过程研究和对封装好的传感器测试情况来看，可以得出以下结论：

　　1、储能焊可以在硅油中焊接；

　　2、焊接过程电流、温度并未对敏感芯片造成影响；3、焊接的密封能够达到气密检测要求，储能焊接能够满足扩散硅传感器不锈钢隔离膜片封装要求。 本文源自泽天传感，版权所有，转载请注明出处！

　　聚酰亚胺薄膜基片在合成方法上具有其他高分子所难以具备的易变通性，合成途径多种、形式多，可由聚苯并咪唑、聚苯并哑唑、聚苯并噻唑、聚喹哑啉和聚喹啉等单体合成。但主要由二元酐和二元胺，在极性溶剂/甲醇混合溶剂中进行低温缩聚、成膜加热、脱水，表面再辅以芳香族聚酯亚胺等光胶物而成。基片裁剪后首先进行超声清洗，清洗好的基片在镀膜前的装片过程难免再受到环境的污染，表面吸附尘埃、纤微等污染物，需要在装片后再次清洗。更重要的是要除去聚酰亚胺膜表面不利于金属原子结合的芳香聚酯物。处理方法是采用离子束除去加工技术对基片表面进行处理。

　　2、过渡层薄膜淀积研究

　　聚酰亚胺基片在检验、划片、装片等工艺过程难免受到划伤出现亚微米的划痕，在其表面直接淀积薄膜将导致不均匀甚至不连续的缺陷，是薄弱失效部位，需研究淀积过渡薄膜层以保证薄膜的质量，并增强薄膜与基片的结合力，改善膜和基片的应力匹配。

　　1）、填补划痕

　　基片表面的划痕可能造成薄膜塌陷部位的厚度（σ）小于0.2μｍ，这种电阻薄膜是很不可靠的，显微镜观测无法分辨其缺陷，因此在工艺设计上需采取相应的措施。

　　在聚酰亚胺和薄膜之间淀积过渡薄膜层，可解决这个问题。淀积过渡层以后，薄膜的塌陷随着过渡层厚度的增加，塌陷部位角度增大、深度减小。对于基片1μｍ深的划痕，设计合理的过渡层厚度，以保证上层膜塌陷部位的最小厚度大于0.3μｍ。

　　2）增强与基片的结合力

　　与高分子材料基片结合层的薄膜首先以小岛结构形式存在，然后向网状结构过渡，最后形成连续的薄膜。在薄膜的界面处有大量空位、错位、晶粒间界和杂质等缺陷，即使通过热处理仍然有非平衡的缺陷存在，这种非平衡的缺陷将导致薄膜的不稳定，在环境温度变化或电负荷作用下会引起不可逆的变化。

　　在基片上先聚焦离子源轰击靶材，淀积一层难溶金属薄膜，可显著增强薄膜的结合力和稳定性。难熔金属原子的移动性低，薄膜淀积时形成的所有结构缺陷都能保留下来，在很宽的温度范围内也不可能发生变化，稳定性能高。

　　仪器仪表是工业化进程的基石，只有选用工业现场选用合适的仪表，才能够事半功倍，自动化流程才能够更加自动化。