不銹鋼KEYENCE光電傳感器芯體研制
 

　　KEYENCE光電傳感器線性相關(guān)的電信號，是一種應(yīng)用交通、工業(yè)制造和物聯(lián)網(wǎng)等各種領(lǐng)域。傳統(tǒng)KEYENCE光電傳感器包括陶瓷壓力傳感器[2]和充油壓力傳感器[3]兩種。陶瓷壓力傳感器以陶瓷彈性膜為感壓單元，耐腐蝕性好，成本較低，在汽車電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是精度較差，只適用于中低量程壓力測量。充油壓力傳感器以微機電系統(tǒng)(MEMS)壓力傳感器芯片[4]為壓力測量單元，測量精度高[5]，能夠?qū)崿F(xiàn)中低高全量程的壓力測量，但成本較高，主要應(yīng)用在對成本不敏感的工業(yè)電子領(lǐng)域。
 

　　不銹鋼壓力傳感器作為一種近些年新出現(xiàn)的一種壓力傳感器[6]，直接以機加工不銹鋼薄膜作為直接感壓單元，以硅應(yīng)變計為信號轉(zhuǎn)換元件，相對陶瓷壓力傳感器有更高的精度，相對充油壓力傳感器有更低的成本，能夠覆蓋中低高全量程。本文基于不銹鋼壓力傳感器的原理，設(shè)計了一種壓力傳感器芯體，具有過載大、耐腐蝕、成本低、可靠性好的特點。
 

　　KEYENCE光電傳感器芯體以不銹鋼薄膜作為感壓結(jié)構(gòu)，以應(yīng)變片作為測量單元，基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)左所示，芯體為17-4PH不銹鋼一體加工結(jié)構(gòu)，下部包括壓力傳感器芯體的導(dǎo)壓孔及過程連接接口，上部與測量介質(zhì)接觸的為一體不銹鋼，感壓硅應(yīng)變計粘貼于不銹鋼膜片的上表面。整個芯體內(nèi)部無密封件及焊縫，從根本上杜絕了產(chǎn)品內(nèi)部的測量介質(zhì)泄露隱患。使用本芯體組裝后的傳感器、電路及感應(yīng)元件在膜片的一側(cè)，測量介質(zhì)在膜片的另一側(cè)，從而外部介質(zhì)環(huán)境與傳感器芯體內(nèi)部隔離，從而實現(xiàn)測量各類與不銹鋼材料兼容的氣體和液體等介質(zhì)壓力。傳感器芯體整體高度15.75 mm，最寬處的直徑為14 mm，頂部應(yīng)變片粘貼臺面直徑6 mm，中間通氣孔直徑3.4 mm，頂部臺面下方傳感頸部有應(yīng)力隔壁槽，隔離裝配應(yīng)力，從而提高傳感器穩(wěn)定性。本文壓力傳感器整體芯體尺寸較目前的常規(guī)的帶螺紋接口的充油壓力芯體、陶瓷壓力芯體都小，便于后續(xù)組裝成小型或超小型壓力傳感器。如圖1(b)右所示，針對傳感器芯體頂部的感壓膜壓力形變進行了有限元仿真，得到了彈性體受到5 MPa壓強作用時的應(yīng)力云圖和形變云圖，由圖中可以看到，彈性膜以中心點對稱向上凸起，最大變形在中心處，為1.99μm。彈性膜應(yīng)力最大點在中心處為73.34 MPa，向外應(yīng)力逐漸變小，在薄膜的邊緣處又稍微變大。
 

　　常見的應(yīng)變片為鉑應(yīng)變片，用于各種場合的力傳感測量，但是溫度漂移大，靈敏度小，而硅應(yīng)變片采用MEMS工藝加工[7]，具有靈敏度高、體積小和精度高的特點，便于進行微區(qū)應(yīng)力測量，因此本傳感器采用硅應(yīng)變片做測量單元。同時，硅應(yīng)變片與不銹鋼之間的粘接材料使用微熔玻璃粉，由于玻璃與硅有大概相同的熱膨脹系數(shù)，同時穩(wěn)定性好，有利于傳感器芯體的長期穩(wěn)定性。不銹鋼壓力變送器基本工作原理如圖2所示，采用厚膜工藝將無機粘接材料微熔玻璃膠體印刷在不銹鋼彈性體上，貼在不銹鋼感壓基座表面的2個硅電阻應(yīng)變片感測基座不銹鋼膜片的形變。每個應(yīng)變片由2個蛇形電阻構(gòu)成，2個應(yīng)變片，4個電阻通過引線互連，構(gòu)成惠斯通電橋，從而輸出電壓信號。如圖1(b)所示。外側(cè)的兩個電阻R1和R4中心處位于彈性膜邊緣，當傳感器承受壓力時，不銹鋼感壓膜片產(chǎn)生變形，R1,R4承受壓應(yīng)力，電阻變小，R2,R3承受拉應(yīng)力，電阻變大，電橋不平衡，輸出與隨壓力線性變化的電信號，從而實現(xiàn)壓力測量。
 

　　KEYENCE光電傳感器基于以上的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，進行了傳感器芯體的試制。如圖3(a)所示，為不銹鋼壓力芯體的主要制造流程:(a1)采用17-4PH不銹鋼坯料進行粗車加工成型，得到帶有不銹鋼薄膜的壓力芯體，然后對端面進行精銑，得到高精度不銹鋼薄膜結(jié)構(gòu)，然后對不銹鋼芯體表面進行噴砂處理;(a2)利用絲網(wǎng)印刷工藝在不銹鋼芯體臺面上絲印微熔玻璃膠體;(a3)干燥并在帶氣氛保護的燒結(jié)爐中進行500℃快速燒結(jié)形成玻璃基體;(a4)將硅應(yīng)變片放置在微熔玻璃基體相應(yīng)的位置上;(a5)將放置好的應(yīng)變片及不銹鋼基底在帶氣氛保護的燒結(jié)爐中進行高溫?zé)Y(jié)。在不銹鋼壓力芯體的制作環(huán)節(jié)中，不銹鋼基體的制作極為關(guān)鍵，加工需要高精度、低應(yīng)力，高精度加工才能保證傳感器靈敏度的批量穩(wěn)定性，低應(yīng)力銑削加工保證傳感器不銹鋼壓力薄膜，沒有塑性損傷，才能夠承受工作環(huán)境中的多次壓力沖擊，保證傳感器的疲勞可靠性。
 

　　硅應(yīng)變片的貼片效果直接影響了傳感器芯體的性能，為了驗證傳感器芯體的制備效果，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對貼片后的硅應(yīng)變片進行了表征。如圖4所示，為粘貼在不銹鋼感壓膜表面的硅應(yīng)變片的光學(xué)及SEM圖像，圖右中應(yīng)變片周圍的白色區(qū)域為燒結(jié)后的玻璃，可以看到，硅應(yīng)變片通過玻璃完整可靠的粘接在了不銹鋼的表面。
 

　　KEYENCE光電傳感器針對加工完成的不銹鋼壓力傳感器進行相關(guān)性能測試，搭建了相關(guān)的測試系統(tǒng)，包括鋼瓶氣源、氣壓控制器、壓力加載工裝、高精度電壓源及高精度電壓表。傳感器感壓芯體需要進一步處理便于測量，首先將轉(zhuǎn)接PCB電路板固定在不銹鋼基底上，通過引線進行電路與硅應(yīng)變片的互聯(lián)，并點膠保護，將傳感器信號引出。性能測試時，電源在電橋輸入端施加5V電壓，高精度電壓表測量輸出端Out+及Out-兩端的差分電壓。氣壓源氣壓經(jīng)氣壓控制器輸出到壓力芯體下端引壓孔，測試在不同氣壓條件下，壓力芯體電橋輸出端對應(yīng)用的電壓輸出。
 

　　壓力傳感器性能試驗方法進一步分析了傳感器的線性度，1#、2#、3#樣品分別為0.32%,0.34%,0.49%，技術(shù)指標穩(wěn)定可靠，初步實現(xiàn)了設(shè)計目標。可以看出傳感器的零點都不在0 m V，同時滿量程輸出也均不同，這可能是因為壓力傳感器芯體上的硅應(yīng)變片貼片的位置精度和不銹鋼感壓膜的厚度加工精度不夠的原因，需要在后續(xù)的研制中進一步改進。