張穎英 鄧勇生 劉濤 高羅強(qiáng)

摘 要：采用硅壓阻敏感芯體制作的傳感器具有較高的精度和較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，被廣泛運(yùn)用于壓力傳感器中。但普通的硅壓阻敏感芯體在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)儀器艙內(nèi)氣體壓力和頭罩部位氣體壓力時(shí)，出現(xiàn)了信號(hào)跳變的異?，F(xiàn)象。通過(guò)對(duì)硅壓阻敏感芯體工作原理進(jìn)行分析，以及對(duì)敏感芯體充油工藝的分析，發(fā)現(xiàn)普通敏感芯體信號(hào)跳變是由于芯體在振動(dòng)和低氣壓復(fù)合環(huán)境下內(nèi)部硅油出現(xiàn)了空化現(xiàn)象?？蛇x擇采用高真空的硅壓阻敏感芯體來(lái)杜絕芯體內(nèi)部硅油空化現(xiàn)象的發(fā)生，試驗(yàn)證明，該方法可有效解決信號(hào)跳變這一問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：硅壓阻壓力傳感器;敏感芯體;信號(hào)跳變;硅油;空化;振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

采用硅壓阻敏感芯體制作的傳感器具有較高的精度和較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，被廣泛運(yùn)用于壓力傳感器中。我們?cè)谑褂闷胀ü鑹鹤鑹毫鞲衅鳒y(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)儀器艙內(nèi)氣體壓力和頭罩氣體壓力的過(guò)程中，出現(xiàn)了壓力傳感器輸出信號(hào)跳變的異常現(xiàn)象。本文針對(duì)這種異?，F(xiàn)象，對(duì)硅壓阻敏感芯體的工作原理、充油工藝過(guò)程進(jìn)行了分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)普通敏感芯體出現(xiàn)信號(hào)跳變的原因是芯體在振動(dòng)和低氣壓復(fù)合環(huán)境下，內(nèi)部硅油發(fā)生了空化現(xiàn)象，若采用高真空敏感芯體替代普通敏感芯體，則可以杜絕芯體內(nèi)部硅油空化現(xiàn)象的發(fā)生，從而解決壓力傳感器輸出信號(hào)跳變的異?，F(xiàn)象[1-3]。

1 原因分析

1.1 硅壓阻敏感芯體的工作原理

硅壓阻敏感芯體的實(shí)物及結(jié)構(gòu)如圖1所示。硅壓阻敏感芯體主要由壓力膜片、硅油、硅杯、殼體等組成。膜片用于感受外界壓力，將壓力傳遞到硅油，再由硅油傳遞到硅杯，硅杯在壓力的作用下產(chǎn)生微變形，從而使硅杯上電橋各橋臂的電阻阻值發(fā)生變化，再通過(guò)電路檢測(cè)這一變化，輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，從而完成壓力測(cè)量[4-5]。

1.2 敏感芯體輸出信號(hào)跳變的機(jī)理

敏感芯體輸出信號(hào)跳變是由于發(fā)生了空化現(xiàn)象，與敏感芯體充硅油工藝過(guò)程有關(guān)。

1.2.1 空化現(xiàn)象及空泡機(jī)理

空化現(xiàn)象是指當(dāng)液體介質(zhì)遭到連續(xù)性破壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓力降低，當(dāng)液體內(nèi)某點(diǎn)壓力降低到臨界壓力以下時(shí)，液體發(fā)生氣化，逐漸匯聚為小氣泡，爾后在液體內(nèi)部或液體與固體的交界面上匯合形成較大的蒸汽與氣體的空腔，成為空泡。液體中存在的氣核（微小氣泡）和壓力降低是空化現(xiàn)象發(fā)生的兩個(gè)必要條件。

查閱資料表明，易于發(fā)生空化現(xiàn)象的典型情況之一為壁面振動(dòng)產(chǎn)生的加在平均壓力場(chǎng)上的震蕩壓力場(chǎng)，在負(fù)震蕩時(shí)可能出現(xiàn)空泡。

1.2.2 敏感芯體充硅油工藝過(guò)程壓力敏感芯體充硅油過(guò)程如下。

（1）將需要充硅油的工件放入托盤，注油孔應(yīng)盡量垂直向上，關(guān)閉鐘罩。

（2）啟動(dòng)設(shè)備，打開機(jī)械泵1，再緩慢打開預(yù)處理室真空閥開始抽真空操作;打開機(jī)械泵2，再打開旁路閥開始對(duì)充油室進(jìn)行預(yù)抽真空操作，打開真空計(jì)，待真空度達(dá)到（5.0～9.0）×10-1時(shí)關(guān)閉旁路閥，打開前級(jí)閥與分子泵，對(duì)充油室進(jìn)行抽高真空操作，5～10 min后再對(duì)油處理室及充油室進(jìn)行加熱。

（3）待油溫及真空度達(dá)到要求后，打開放油閥，通過(guò)透視窗觀察注油過(guò)程，應(yīng)注意觀察托盤油位，不可溢出托盤。托盤內(nèi)油位超過(guò)傳感器注油孔3～10 mm后，關(guān)閉放油閥。

（4）關(guān)閉預(yù)處理室的真空閥，再關(guān)閉對(duì)應(yīng)的機(jī)械泵1;然后依次關(guān)閉插板閥、分子泵，待分子泵轉(zhuǎn)速為零后，關(guān)閉前級(jí)閥和機(jī)械泵2，緩慢打開放氣閥給鐘罩放氣，放氣完畢后觀察托盤內(nèi)油位線應(yīng)超過(guò)注油孔，然后升起鐘罩，用干凈的鑷子取出工件。

（5）充油結(jié)束，清理充油室。

（6）充油結(jié)束后，充油件的液位應(yīng)高于或與注油孔平齊，再將密封堵頭的錐頭一端塞入注油孔，將堵頭壓緊，使堵頭的外端面與注油孔外端面平齊。堵頭壓緊后，清理充油件的表面硅油，進(jìn)行焊接密封。

1.2.3 敏感芯體輸出信號(hào)跳變機(jī)理

通過(guò)對(duì)充油工藝過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然在充油前對(duì)硅油進(jìn)行了凈化處理，去除了溶解在硅油中的雜質(zhì)氣體，但在利用大氣壓將硅油通過(guò)注油孔壓入敏感芯體與將堵頭壓入注油孔并焊接的過(guò)程中，有可能存在部分空氣重新溶解于硅油中。如此一來(lái)，硅油中就有了氣核（微小氣泡），具備了發(fā)生空化現(xiàn)象的第一個(gè)必要條件。

在振動(dòng)低氣壓復(fù)合試驗(yàn)中，在抽真空完成后（壓強(qiáng)約100 Pa）、振動(dòng)前，芯體內(nèi)部的壓力與外界平衡為100 Pa，施加振動(dòng)條件，硅油在芯體內(nèi)進(jìn)行壁面振動(dòng)，產(chǎn)生震蕩壓力場(chǎng)，在負(fù)震蕩時(shí)，膜片或引線座界面上的壓力遠(yuǎn)低于100 Pa，具備了空化現(xiàn)象的第二個(gè)必要條件—壓力降低。

振動(dòng)試驗(yàn)前，敏感芯體內(nèi)部處于非空化狀態(tài)，即敏感芯體內(nèi)部的硅油與其他界面充分接觸，芯體內(nèi)部的氣體均以氣核的方式存在于硅油中。

振動(dòng)試驗(yàn)開始后，便具備了發(fā)生空化現(xiàn)象的兩個(gè)必要條件，空泡開始形成，進(jìn)入臨界空化狀態(tài)。在該狀態(tài)下，生成的氣泡量比較小，可以通過(guò)壓力膜片的微小變形平衡內(nèi)外壓力，因此敏感芯體內(nèi)部的壓力不會(huì)有明顯增加。

振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行一定時(shí)間后，開始進(jìn)入局部空化狀態(tài)，在敏感芯體內(nèi)部的界面上出現(xiàn)成片的空泡，這些空泡會(huì)使敏感芯體內(nèi)部的壓力劇增，而這部分壓力無(wú)法繼續(xù)通過(guò)膜片的變形與外界平衡，膜片上應(yīng)力變化明顯，導(dǎo)致內(nèi)部壓力增大，而該壓力作用于硅杯將導(dǎo)致敏感芯體輸出跳變。

對(duì)上述發(fā)生空化現(xiàn)象的兩個(gè)必要條件進(jìn)行分析，硅油中存在的氣核及壁面振動(dòng)導(dǎo)致的壓力降低均具有一定隨機(jī)性，因此壓力敏感芯體發(fā)生空化現(xiàn)象導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)生跳變也具有一定的隨機(jī)性[6-7]。

2 解決方案

2.1 敏感芯體工藝改進(jìn)方案

本方案采用高真空充油芯體，這種芯體的特點(diǎn)是芯體內(nèi)部充的硅油在高真空環(huán)境下經(jīng)過(guò)高真空處理，真空度可達(dá)10-3～10-4 Pa。選用這種芯體可以避免空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以解決在低氣壓振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下輸出信號(hào)跳變的問(wèn)題。

2.2 敏感芯體工藝改進(jìn)前及改進(jìn)后對(duì)比

普通敏感芯體在氣壓值約為100 Pa且施加振動(dòng)環(huán)境后，敏感芯體輸出發(fā)生了跳變，曲線如圖2所示，輸出由0.2 V跳變?yōu)?.5 V，對(duì)應(yīng)壓力值約為6.5 kPa。

對(duì)高真空壓力敏感芯體（量程100 kPa，輸出0～100 mV）進(jìn)行了振動(dòng)及低氣壓復(fù)合試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中敏感芯體未發(fā)生跳變，試驗(yàn)記錄曲線如圖3所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

硅壓阻壓力傳感器在使用普通敏感芯體測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)儀器艙內(nèi)氣體壓力和頭罩氣體壓力時(shí)出現(xiàn)了信號(hào)跳變的異?，F(xiàn)象，我們通過(guò)對(duì)硅壓阻敏感芯體的工作原理及充硅油工藝過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)普通硅壓阻敏感芯體在振動(dòng)和低氣壓復(fù)合環(huán)境下，內(nèi)部硅油發(fā)生了空化現(xiàn)象。因此改進(jìn)敏感芯體制作工藝，采用高真空敏感芯體，杜絕空化現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，證明文中所提方案有效解決了硅壓阻壓力傳感器在測(cè)量時(shí)發(fā)生信號(hào)跳變的問(wèn)題[8-10]。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李曉瑩，張新榮，任海果.傳感器與測(cè)試技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]吳建平.傳感器原理及應(yīng)用[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3]雅各布·費(fèi)雷登.現(xiàn)代傳感器手冊(cè)：原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[4]安躍.壓阻式壓力傳感器性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2017.

[5]周曉宇，張萌穎，杜利東，等.高精度硅壓阻式氣壓傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（4）：97-99.

[6]李旺旺，梁庭，張迪雅，等.SOI壓阻式壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（6）：15-18.

[7]張燕琴，邢維巍，景標(biāo).基于V-F變換的硅壓阻壓力傳感器的處理電路[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，29（2）：161-165.

[8]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T26807-2011硅壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器[S].2011.

[9]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.JB/T10524-2005 硅壓阻式壓力傳感器[S].2005.

[10]尤彩紅.硅壓阻微壓傳感器的設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué)，2009.