王俊杰，秦會斌（杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州 310018）

壓力傳感器封裝中的波紋膜片結(jié)構(gòu)研究

王俊杰，秦會斌
（杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州 310018）

摘 要：針對壓力傳感器隔離式封裝中的波紋膜片這一關(guān)鍵部件，采用有限元分析的方法研究了波紋膜片的厚度、波紋深度和波紋數(shù)目分別對最大壓力約0.1 MPa下的壓力傳感器輸出信號的影響，優(yōu)化了波紋膜片結(jié)構(gòu)的參數(shù)選擇。通過對封裝了不同波紋膜片的樣品的測試與比較表明，較小的膜厚與波紋深度、較多的波紋數(shù)目有助于提高壓力傳感器的性能，從而驗證了波紋膜片結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正確性。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器；封裝；波紋膜片；有限元分析

1　引言

當(dāng)前，擴散硅壓力傳感器由于其高靈敏度、良好的線性度和高可靠性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于如航空航天、深海探測和炸藥爆破等領(lǐng)域中[1]。在這些領(lǐng)域中壓力傳感器經(jīng)常需要工作在強酸或強堿環(huán)境里。為避免對芯片造成損壞，壓力傳感器的隔離式封裝成為了研究重點。不銹鋼波紋膜片由于其具有耐腐蝕的特性和優(yōu)異的力學(xué)彈性性能，因此被用來隔離芯片與待測介質(zhì)。不銹鋼波紋膜片需要有耐腐蝕、彈性性能良好、能夠無損傳遞壓力且可以消除自身變形所產(chǎn)生的應(yīng)力影響的特點。由于波紋膜片的理論分析極其復(fù)雜，因此本文使用有限元分析的方法優(yōu)化波紋膜片的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對實際樣品進行測試，驗證了其有效性。

2　波紋膜片的結(jié)構(gòu)分析

2.1波紋膜片的材料和波形選擇

波紋膜片的材料選擇為316L型不銹鋼。316L型不銹鋼的彈性模量在2.0×1011Pa左右，線膨脹系數(shù)為1.08×10-5℃-1左右，相對其他金屬而言較為適中[2]。波紋膜片的波形選擇為正弦波形。正弦波形的膜片靈敏度高且不容易發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象[3]。

2.2波紋膜片的膜厚和波紋深度分析

隔離膜片的波紋外形參數(shù)主要包括工作半徑、波紋深度、外形因子、膜厚、波距和波紋數(shù)[4～6]。外形因子值的大小代表了膜片的剛性程度，其大小與剛性程度成正比；工作半徑的大小取決于工作空間的大小。膜片能夠承受的最大應(yīng)力與工作半徑、膜片厚度、外形因子和膜片承受壓力的關(guān)系可用式（1）表示[7]：

式（1）中：

其中σmax代表膜片能夠承受的最大應(yīng)力；a代表波紋膜片的工作半徑，P代表波紋膜片的承受壓力，h代表波紋膜片厚度，q代表波紋膜片外形因子。

波紋的深度可以通過式（3）確定[7]：

其中q代表波紋膜片外形因子，h代表波紋膜片厚度，H代表波紋深度。

理想狀況下，波紋膜片受到外力后的形變產(chǎn)生的力傳導(dǎo)給幾乎難以被壓縮的硅油，然后硅油將壓力幾乎無損地傳遞到壓力芯片的表面上。這也就要求波紋膜片需要變形，但是波紋膜片的變形會使自身產(chǎn)生額外的應(yīng)力。為了優(yōu)化傳感器的線性特性和靈敏特性，可以調(diào)整并選擇合適的各個參數(shù)值。這里采用有限元分析方法分析了膜厚、波紋深度參數(shù)值的選擇對性能的影響。進行有限元分析時，假定波紋膜片承受均勻分布的最大值為0.1 MPa的壓力，工作半徑為9.2 mm，試驗采用的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　模型參數(shù)

不銹鋼波紋膜片在ANSYS中的模型如圖1所示。對模型施加載荷、邊界約束和網(wǎng)格自由化后進行了有限元分析，分析云圖如圖2所示。

通過仿真計算得出膜厚值的變化對應(yīng)的波紋膜片的壓力-擾度曲線，如圖3所示。此外，也得出了波紋深度值的變化對應(yīng)的波紋膜片的壓力-擾度曲線，如圖4所示。

圖1 不銹鋼波紋膜片在ANSYS中的模型

圖2 模擬結(jié)果

圖3 不同膜厚的波紋膜片壓力-擾度曲線

圖4 不同波紋深度的波紋膜片壓力-擾度曲線

從曲線圖中分析可以得知，在圖3中，膜厚為0.03 mm的波紋膜片相對于膜厚為0.05 mm和膜厚為0.07 mm的波紋膜片而言其中心擾度是最大的，此外它的線性誤差最小。因此得出結(jié)論：如果膜厚越小則膜片靈敏度越高且線性度越好。

在圖4中，波紋深度為0.3 mm的波紋膜片相對于波紋深度為0.4 mm和0.5 mm的波紋膜片而言其中心擾度最大，因此波紋深度越小其靈敏度越高。

2.3波紋膜片的波紋數(shù)目分析

波紋膜片的波紋數(shù)目對于膜片性能的影響是不可忽視。圖5是3種不同波紋數(shù)目的膜片示意圖。由于不銹鋼波紋膜片的外形是中心對稱的，所以研究時用了其四分之一的模型。波紋膜片在相同方向上的壓力較小，研究時施加了最大為0.4 MPa的均勻分布壓力。對模型進行固定和對稱約束后利用ANSYS軟件仿真得出2波紋、4波紋和6波紋的壓力-擾度曲線如圖6所示。

圖5 3種不同波紋數(shù)目的膜片示意圖

圖6 3種波紋數(shù)目的波紋膜片中心壓力-擾度曲線

根據(jù)對圖6的分析得出，在同等條件下，6波紋數(shù)目的波紋膜片相對于2波紋和4波紋而言其中心位移最大且其線性特性也是最優(yōu)的。因此，壓力傳感器的靈敏度與波紋數(shù)目有關(guān)，波紋數(shù)目越多則靈敏度越高。

3　封裝后的性能測試與結(jié)果分析

為了驗證上述分析的正確性，對封裝了不同參數(shù)值的不銹鋼波紋膜片的壓力傳感器樣品進行了測試比較。圖7與圖8分別是帶有不銹鋼波紋膜片的壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖與實物圖。這里選擇使用了相同工藝制造的兩組波紋膜片封裝的壓力傳感器來測試。第一組膜片厚度0.05 mm，4波紋數(shù)目；第二組膜片厚度0.03 mm，6波紋數(shù)目。實驗在溫度為25 ℃環(huán)境中，對壓力傳感器外加5 V直流電壓和0～1.4 MPa的壓力，記錄輸出信號的數(shù)據(jù)。之后去除隔離膜片與硅油重復(fù)上述步驟，記錄輸出信號的值。樣品1與樣品2使用了第一組膜片，樣品3與樣品4使用了第二組膜片。4個樣品使用波紋膜片與不使用波紋膜片對壓力傳感器輸出信號的影響如表2所示。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，相對于樣品1與樣品2來說，樣品3與樣品4的輸出變化很穩(wěn)定，且數(shù)值較小。這說明使用厚度小、波紋數(shù)目多的膜片進行封裝，對壓力傳感器的影響小。

圖7 封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 封裝結(jié)構(gòu)實物圖

表2 膜片對壓力傳感器輸出信號的影響

Research on Structure of Corrugated Diaphragm in Pressure Sensor Packaging

WANG Junjie, QIN Huibin
（Institute of Electronic Device and Application, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China）

Abstract:Corrugated diaphragm is one of the most important isolated packaging parts for pressure sensor. The impacts of thickness, depth and number of corrugation of corrugated diaphragm on output signal of pressure sensor with the maximum pressure value of approximately 0.1 MPa are researched by finite element analysis. Structure parameters of corrugated diaphragm are optimized. Corrugated diaphragm structure optimization is verified by results of testing and comparing samples using different corrugated diaphragms. The results showed, performances of pressure sensor can be improved by smaller thickness and corrugation depth, more number of corrugations.

Key words:pressure sensor; packaging; corrugated diaphragm; finite element analysis

中圖分類號：TP212.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1681-1070（2015）05-0001-03

收稿日期：2015-01-22