梁庭壯

（廣東和宇傳感器有限公司，廣東 江門 529100）

0 引言

壓阻式壓力傳感器是利用敏感元件的變形改變電阻值，并將壓力信號轉換成電信號的一種傳感器。壓阻式傳感器由基體、傳感頭、電路板、電子腔以及接插件等組成。各部件的封裝、密封的結構設計，對傳感器的性能、質價比以及尺寸體積等影響很大。基體通?？蔀椴煌菁y或測密封連接方式，連接壓力源；傳感頭就是由敏感元件組和敏感元件的載體組成的模塊化元件，如硅應變計壓力座[1]。因此，為了實現(xiàn)壓力傳感器的基本功能，必須將傳感頭安裝到基體內，兩者必須有可靠的密封連接。國內外在金屬流動特性的研究方面做了很多工作，對于利用其實現(xiàn)風接的應用也有不少，但是對其應用在壓力傳感器內部的封接，其形成機理還沒有得到明確的認識，在理論研究方面，目前還滯后于工藝研究的工作。

1 技術背景

1.1 應用意義

在當今現(xiàn)代化社會進程中，人民的生活、生產，早已經離不開傳感器，尤其近年來的“中國智造”、物流網等等的浪潮之中。預計到2023年，國內傳感器市場將達到2 580億，其中壓力傳感器約占20%，即516億。

如何在降低成本的同時提高傳感器的各項技術性能指數已成為搶占市場先機必要條件。突破傳統(tǒng)工藝路線和設計思路，采用新的工藝或是借鑒其他領域的技術工藝，開發(fā)出新的封裝辦法來滿足應用的要求，成為業(yè)者必須面對的研究課題。

1.2 壓力傳感器的分類

壓力傳感器可按敏感元件對其性能的影響程度分類。傳感器按靈敏度材料可以分為陶瓷材料與金屬材料，石英、半導體傳感器等。根據靈敏元件的制作原理，可以將傳感器分為差動變頻器、電阻變頻器、壓力變頻器、空箱型、波登管型、電容型以及膜片型等[2]。

根據傳感器的工作機理，用間接測量法推算出力數值。壓力傳感器就是在壓力的作用下，對敏感元件的機械變形等物規(guī)特性進行直接測量，由此推算出數值。

有些類型的壓力傳感器使用得比較廣泛，如下所述。

1.2.1 壓阻式壓力傳感器

隨著外部力的變化的同時，壓力源至使壓力傳感器內的傳感頭發(fā)生彈性的機械形變。傳感頭上的敏感元件感應傳遞過來的形變，導致自身也發(fā)生彈性變形，進而改變了敏感元件的阻值，然后根據線性電阻值的變化而完成壓力源壓力的測量。根據該原理，制造的傳感器稱為壓阻式壓力傳感器。

1.2.2 電容量傳感器

隨著外部力的變化，電容器板的位置也會隨之產生不同程度的變化，這樣就改變了電容器的電邊界。對電路電容進行測量，可以計算出實際的壓力。按照這個原理制造的傳感器叫做電容式壓力傳感器。按電容器的結構和位置，電容式壓力傳感器可分為同軸式、圓筒型平行板式2種。

最初的電容式傳感器的移動板采用了金屬敏感元件，其缺點是價格高，占用空間大。

1.3 現(xiàn)有密封工藝

傳感頭是傳感器的核心元件。壓阻式傳感器常用的傳感頭有陶瓷芯體、充油芯體以及硅應變壓力座等。密封主要對象是傳感頭與基體之間的通道。通常測量的介質有水、氣以及油等。壓阻傳感器采用金屬流封口結構，其制作方法包括底座、軟金屬連接件和硬金屬壓力件，軟金屬的前端連接件上有第一壓力源孔和階梯孔，后端有內腔，硬質金屬壓力件上有第二壓力源孔，第二壓力源孔靠近第二壓力源孔，第二壓力源孔靠近第二壓力源孔。二次加壓源孔設置在二次加壓源孔附近，而彈性壓縮面設置在二次加壓源孔后面[3]。1）焊接。在壓力傳感器上面，通常采用氬弧焊或激光焊，焊接是通過加熱、加壓或2種方法同時進行。將2個相同的工件進行原子間的聯(lián)合加工與連接，應該是壓力傳感器中最廣泛采用的一種密封方法，這種焊接方法的使用，使得加工和裝配過程簡化，結構設計靈活，具有機械化和自動化的特點。2）O型圈密封。O型圈為擠壓型的密封方式，它的基本工作則是用密封件而產生彈性的形變。使密封接觸的表面產生壓力，觸點壓力大于被密封介質的內壓力，則不會產生泄漏，相反，會產生泄漏。但是O型圈的密封性能有限，通用化程度低，密封的介質、壓力值不同，需要采用不同的O型圈，甚至是特殊材料；為了達到承壓的目的，有些結構必須添加必要的支撐，從而增大體積，如圖1所示。3）填料密封。填料密封是利用填料填充2個工件的間隙而達到密封的目的，同時還可具有防震動、防腐、防銹、防松、隔音、隔熱或導熱等的作用。填充式具有良好的密封性，且壽命長，使用方法簡單并且方便可靠，但是通用性差，密封的介質、條件不一樣，需要采用不同的填料，而且需要有支撐結構才能達到承壓的目的，某些填料還需要添加一定的稀釋劑、軟化劑或固化劑，使用準備時間較長。

2 應用原理

由于傳統(tǒng)封裝連接方式的缺點不能滿足壓力傳感器高精度測量的需要，尤其是難以實現(xiàn)小型化封裝。

根據該情況，解決當前問題的關鍵點在于封裝結構需要滿足如下條件?？煽康某袎耗芰?、可靠的密封性能、具有快速裝配生產的能力、較低的封裝應力[4]。

以下為采用金屬流技術進行傳感器頭與底座的封裝連接，如圖2所示。

圖2 傳感器與底座封裝連接圖

金屬流的基本依據是金屬塑性變形的特點。采用2種不同硬度的金屬，通過推壓、沖壓等方式，使較硬金屬進入較軟金屬中，使較軟金屬產生永久塑性變形而使2種金屬緊密結合，就如同金屬的冷流動。以至達到密封和承壓的手段，形成2個器件之間的可靠連接。

這種封裝方式結構簡單，強度高，通用性強，氣密和承壓性能優(yōu)越，成本較低，易于實現(xiàn)緊湊、小型化結構，并且殘余應力小。

3 設計特點

3.1 密封圓槽的設計

密封環(huán)槽是解決這個問題的關鍵。在傳感頭封裝過程中，通過壓推傳感頭，使其壓入至中間連接的基體孔。由于密封環(huán)槽的容納過渡，它是一種均勻的環(huán)力，壓力方向以徑向為主，不要造成過大的過盈壓力傳給感應器而影響感應器的性能，包裝后的應力不會影響傳感器的測量精度以及長期穩(wěn)定的性能，達到密封承壓的目的。

3.2 金屬流實現(xiàn)依據

在壓力傳感器中，采用金屬流的方法進行傳感頭與基體之間的封裝連接，主要涉及以下3個方面的技術內容。

3.2.1 材質選擇

軟金屬必須比硬金屬的硬度低一半左右，材質均勻，成分穩(wěn)定，而且需要有良好的塑形和延展性，需要使用合金材料，必要時還需要做退火處理降低其硬度值。如軟金屬為合金鋁，硬金屬為不銹鋼[5]。

3.2.2 結構設計

首先要計算使金屬產生的塑性變形所需要增加的外在力量，也就是變形力，實際設計誤差不應超過10%；其次，要計算在結合過程中的彈性變形量，軟硬金屬體積變化、變形不能超過5%。軟、硬金屬的結構設計必須簡單實用，還需要考慮量產的需要，以簡單的設備、工裝就能實現(xiàn)功能。

3.2.3 密封性能及強度檢測

需要采用合適的設備在不同溫度下進行不同介質的高振動加壓測試，如使用煤油、大氣等介質，密封溫度范圍為-40 ℃～150 ℃，測試承壓能力為100 MPa，及疲勞循環(huán)200萬次以上，以確保金屬流結合穩(wěn)固，并且不受材料膨脹系數的影響。

4 實驗與結果

4.1 極限爆破試驗

極限爆破試驗能驗證金屬流封裝結構的基本性能，能不能到達設計目標，能不能滿足使用要求。

由于測試的壓力值較高，用常規(guī)產品實驗難以達到。因此對基座封裝頭進行特殊設計，如圖3所示。試驗的壓力源為具有壓力泄漏檢測功能的高油壓壓力試驗機，試驗品置于高低溫箱中。

圖3 基座封裝機構圖

試驗方法：分別將試驗件與常溫25 ℃、高溫150 ℃、低溫-40 ℃，以50 MPa為起點，每5 MPa向上加壓，每次保壓1 min，直至發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。以下表1為試驗數據，破壞泄漏值（單位MPa）。

表1 保壓溫度密封試驗結果

保壓溫度密封試驗結果從試驗結構可以看出，使用金屬流的密封方式，能滿足較高量程、不同溫度的使用場合的要求。

4.2 泄漏率試驗

泄漏率是壓力傳感器密封性能的關鍵性技術指標。

常規(guī)測試泄漏率，常規(guī)使用的設備為氦氣檢漏儀。由于氦氣測漏儀的需要的結構較為復雜，因此按照如圖4所示的方案進行測試。

試驗方法：將試驗件置于溫箱下，至樣件恒溫至25 ℃，對實驗工件通入2.1 MPa的氦氣，連續(xù)測試3 d，每天試驗的同一時間，記錄相關泄漏率（單位Pa·m3/s），見表2。

表2 金屬流密封泄漏率試驗結果

金屬流密封泄漏率試驗結果從試驗結構可以看出，使用金屬流的密封方式，具有良好的密封性能。

5 理論計算

將金屬流應用于壓力傳感器，必須考慮封裝應力對傳感頭影響，同時要確保密封承壓的安全。通過合理的設計，對不同材料的熱膨脹系數、剪切極限、屈服極限、疲勞期限等進行計算。簡化了封裝程序，實現(xiàn)了緊湊，小尺寸封裝結構。

形變力通過工作面對變形工件施加，如推力、沖壓等。要求的應變力一般是工件上工作應力在工件運動方向上投影的總和。因此變形力P如公式（1）所示。

式中：δn為工作應力，在工作表面上通常是不均勻的，d為密封承壓的安全指數；為常用單位壓力；s為工作面積。變形力理論計算誤差通常小于10%，具體可根據實驗情況進行修正。

式中：Q為結構件的剛度；P為表面受到的變形力；S為變形方向的橫截面積。原則上彈性變形量設計為0～5%，具體可以根據實驗情況進行修正。

圖4 泄漏率檢測結構圖

6 結語

金屬流是壓力傳感器為了克服現(xiàn)有密封技術的不足，解決了傳感器小型化、成本低等要求而被應用的。為了實現(xiàn)壓力傳感器的基本功能，必須將感應器安裝在基體上，兩者必須有可靠的密封連接。經過合理設計，計算了各種材料的熱膨脹系數。封裝程序簡單，實現(xiàn)了小巧的封裝結構。利用軟硬金屬結合的原理，也能應用于不能焊接的密封場合。金屬流具有很多優(yōu)勢，不僅能在傳感器領域推廣，而且還能應用于其他需要密封的設計中。