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压力传感器的结构与设计

压力传感器的结构与设计

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随着传感器技术的发展,功能集成化和结构小型化或一体化则成为传感器的主要发展趋势之一。压力开关传感器的研制就是将功能单一的机械式压力开关与压力传感器结构小型化、功能集成化,使二者在同一个压力腔内能够同时提供开关信号和连续电信号。该压力开关传感器研制要突破一体化结构、小型传感器设计及机械压力开关等关键技术难点,解决涉及多门学科相互交叉的综合技术。

2  结构设计

为了实现机械压力开关与传感器一体化结构的要求,二者必须位于同一压力腔体中。如果没有体积尺寸和重量的限制,传感器与压力开关只需平行排列就可以。但在较小结构空间内,我们拟将传感器与压力开关的感压膜片面对面安装在同一压力腔内,共用同一个压力接口与信号接插件。能够同步感受外部传递的压力,并同时提供阶越信号与连续电信号。该结构外壳为不锈钢材料,整体设计采用固体硬连接,利用氩弧焊、电阻焊和电子束等多种体连接方法实现传感器结构内无可动部件,强化传感器抗压、抗振、抗冲击特性。

传感器输出的毫伏信号需要经过放大电路转化成05 V标准信号输出。根据使用要求将电路板设计安装在电路盒体内。外壳采用金属铝材料,表面进行阳极氧化,电路板经过固定安装后,电路盒四周采用密封处理,输出信号通过电连接器与外部仪表连接。

2.1  小型压力传感器设计

压力传感器的工作原理选择扩散硅压阻工作机理。将构成惠斯登电桥的四个扩散硅电阻对称设计在弹性体的正负应变区上,扩散硅电阻随被测介质的压力增加而增加或减小,造成惠斯登电桥的不平衡电压与被测压力成线性变化。

基于一体化结构设计压力传感器的敏感器件和芯体采用微小型化,与压力开关形成上下配套结构,形成一体化设计。图5为传感器小型体芯结构。传感器设计利用自主开发的传感器计算机辅助设计应用技术进行,使用ANSYS有限元分析平台软件和CV机械设计软件及数据库的数据资料,建立合理适用的传感器数学模型。传感器结构进行全固态设计,敏感芯片与玻璃之间、玻璃与金属导压管之间连接采用静电封接,烧结座、导压管、膜片及焊环之间采用氩弧焊接或电子束焊接,有效地避免了胶粘等软连接对传感器性能的影响,同时提高了芯体的稳定性和可靠性。同时利用贴片或厚膜电阻网络技术,采用全温区的两点和三点补偿方案,对传感器的零点失调电压、零点和灵敏度的热漂移进行二次温度补偿。

传感器制作是在沈阳仪表科学研究院传感器国家工程研究中心的硅基力敏器件工艺线和传感器装配流水线中进行,关键的生产设备和精密仪器均是1997年以后引进的,制造技术主要由半导体平面工艺、微机械加工技术和微电子集成电路技术融合构成。

2.2  机械压力开关设计

压力开关工作原理采用金属膜片方式,固定触点,通过金属弹**悬浮同定;可动触点,经特殊工艺焊接在金属弹性膜片中央,金属弹性膜片再通过密封被同支在压力接口内。在压力作用下,金属膜片在弹性形变的范同内发生形变,通过圆心支杆,变形膜片带动开关的可动触点沿轴向上下移动与固定触点相触。可动与固定触点之间的距离根据压力量程设定固化,通过弹**触点与接线端子实现电连接。装配中使用的绝缘材料采用新型的高温绝缘材料,触点采用特殊金属材料自行制作,装配和调校利用特制的工装和定位夹具。

2.3  信号电路设计

根据使用需要,压力开关传感器要求输出05 V信号及高低电平的开关量信号。

该电路设计主要分三大部分:**部分为传感器信号放大电路,设计方案采用仪用放大电路该电路将传感器输出的毫伏信号放大至05 V输出,形成标准的电压信号;第二部分为开关设定电路,设计方案采用电压基准及精密电阻器构成模拟传感器,通过调节精密电阻器阻值来实现开关电压的设定;第三部分为电压比较电路,该电路功能是将传感器输出的信号与开关设定电压信号进行比较输出高低电平的开关量,设计方案采用运算放大器构成电压比较器(如图10),当传感器输出的信号临界于开关设定信号时,比较器就进行电压比较,输出高低电平的开关量信号。

3  可靠性设计

3.1  压力传感器可靠性设计

采用自主开发的制造工艺,抑制和减小传感器的时漂和温漂,保证传感器高稳定性和低温度漂移;采用自主开发的多层材料的静电封接技术,对硅片-玻璃、玻璃-金属导压管的封接,实现压力传感器内部无可动部件,保证传感器抗冲击、抗振动;采用自主开发的硅油充灌技术,保护传感器内部芯片,隔离被测介质,保证充灌保护液后的传感器精度和温漂达到技术指标要求

3.2  机械压力开关可靠性设计

膜片的设计采用不对称的方式,保护采用仿形基座来限制膜片的过载位移;装配过程增加膜片与仿形体耦合工序,保证膜片经过数次过载后的重复性;膜片及触点采用特殊金属材料,加工制作采用特殊工艺,保证使用寿命;采用非连续微间隙调整方法,触点进行高温固化,保证开关动作精度及稳定性。

3.3  信号电路可靠性设计

有源电子器件遵循功率降额使用原则;电子元器件经过老化筛选,保证器件的可靠性;电路板装经过三防处理,增强耐盐雾、防霉菌的性能。

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压力开关传感器的许多设计和研制使用多种金属和非金属材料,许多设计和主要研制内容是首次和全新的,研制流程经过50多道工序,涉及多门学科相互交叉的综合技术。该压力开关传感器整机结构紧凑、精度、过载倍数和可靠性高,触点动作误差和温度系数小,无论是其开关功能还是传感器性能的指标要求均高于单一功能类的产品

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