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        石英壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝研究

        2021-07-18 11:43:40梁庭壯
        中阿科技論壇(中英文) 2021年7期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝作業(yè)

        梁庭壯

        (廣東和宇傳感器有限公司,廣東 江門 529100)

        現(xiàn)階段,有關(guān)石英壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的研究相對(duì)較少,基于此,采取行之有效的方法對(duì)其進(jìn)行分析研究,如針對(duì)選料過程、切片過程、超聲料落、擺片精磨及拋光作業(yè)、膜片金屬化工藝、提升測(cè)量精度與工作效率、控制成本投入及消耗、加強(qiáng)技術(shù)人才隊(duì)伍建設(shè)、優(yōu)化傳感器制造工藝等,對(duì)當(dāng)下我國石英壓力傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造工藝等進(jìn)行闡述,有十分重要的理論意義。

        1 研究方向及意義

        隨著我國綜合國力的不斷提升,石英壓力傳感器在軍工產(chǎn)業(yè)及重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用比例逐漸提升[1]。石英壓力傳感器是基于壓電效應(yīng),將壓力信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為石英晶體的固有振動(dòng)頻率變化,電路再將石英晶體頻率轉(zhuǎn)換為相關(guān)電參數(shù)輸出。石英壓力傳感器是相對(duì)于諸多不同類別壓力傳感器,精度和穩(wěn)定性較高的一種測(cè)量型傳感器。通過市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),石英壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,主要涉及航天、軍工、石油、船舶、醫(yī)藥等產(chǎn)業(yè)[2]。隨著石英壓力傳感的廣泛應(yīng)用,相關(guān)研究也越發(fā)向著時(shí)效性、功能性等層面轉(zhuǎn)變。石英壓力傳感器優(yōu)點(diǎn)較多,主要包括耐沖擊、抗震動(dòng)、無彈性滯后、耐腐性較強(qiáng),且線脹系數(shù)相對(duì)較小。同時(shí),該類傳感器的精度和穩(wěn)定性也相對(duì)較高,如在測(cè)量精度層面,石英壓力傳感器比一般的壓阻式傳感器要高。該優(yōu)點(diǎn)將石英壓力傳感器應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。此外,相對(duì)于傳統(tǒng)金屬壓力傳感裝置,石英壓力傳感器靈敏度更高,并能根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)調(diào)節(jié),且穩(wěn)定性、分辨率頗高,使石英壓力傳感器在氣象領(lǐng)域應(yīng)用空間擴(kuò)大。

        本研究以石英壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中心,對(duì)該傳感器制造工藝的主要形式與步驟進(jìn)行敘述,側(cè)重分析存在的諸多問題及情況,并提出制造管理及質(zhì)量控制的建議,為后期研究與相關(guān)工作的開展奠定基礎(chǔ)。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

        2.1 主體結(jié)構(gòu)

        在進(jìn)行石英壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),一定要注重其時(shí)效性和功能性[3],對(duì)傳感器的功能發(fā)揮、穩(wěn)定可靠進(jìn)行詮釋,才能達(dá)到研發(fā)設(shè)計(jì)目的。本研究石英壓力傳感器的敏感元件設(shè)計(jì)如圖1所示。

        圖1 石英壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        分析圖1可知,其特點(diǎn)如下:

        (1)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備E型膜片特點(diǎn)及垂鏈?zhǔn)侥て卣鳎缒て行乃茉斐傻奈灰葡嗖畈淮?,且完全接近平移狀態(tài),非常符合平行板電容器平臺(tái)運(yùn)行需求,同時(shí)對(duì)膜片線性度、強(qiáng)度等進(jìn)行了一定的改動(dòng)升級(jí);

        (2)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)中心剛度進(jìn)行了最大程度加強(qiáng),使其與平行板電容器更為接近;

        (3)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)補(bǔ)充一片動(dòng)電極,讓電容輸出量大幅度提升。

        2.2 邊界條件

        傳感器結(jié)構(gòu)中,壓力傳感器的作用非同小可,它具有中心功能,需結(jié)合大氣壓與相關(guān)環(huán)境條件,對(duì)其應(yīng)力、應(yīng)變等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[4]。通過分析可發(fā)現(xiàn),邊界條件的形式多為主載荷動(dòng)態(tài)模式、約束基礎(chǔ)模式。

        分析后發(fā)現(xiàn),該傳感器的主體狀態(tài)一般以內(nèi)部真空為主,而大氣壓會(huì)對(duì)其外部造成一定波及。所以,應(yīng)結(jié)合具體情況對(duì)載荷進(jìn)行優(yōu)化操作,主要處理措施是對(duì)壓力傳感器表面上方X位置進(jìn)行載荷操作。對(duì)已劃分完成后的單元上進(jìn)行作用力加設(shè),在X位置所對(duì)應(yīng)下面應(yīng)加設(shè)作用力,完成對(duì)載荷過程的模擬[5]。但構(gòu)建模型時(shí)已將外環(huán)放棄,因此要對(duì)約束條件進(jìn)行設(shè)置,主要是在其周邊約80個(gè)節(jié)點(diǎn)面進(jìn)行設(shè)計(jì)。可對(duì)X、Y、Z進(jìn)行加設(shè)限制,以該方向平移自由度約束為加設(shè)主體。

        3 石英壓力傳感器制造工藝分析

        石英玻璃作為一種重要材料,在西方各國已經(jīng)應(yīng)用多年,近代其應(yīng)用得到了極大發(fā)展。壓力傳感器所選擇的傳感元件材料主要是高純石英結(jié)構(gòu)物質(zhì),在機(jī)械加工過程中容易因各種問題導(dǎo)致破碎發(fā)生,不能保證其精度。

        根據(jù)石英的主要特征與屬性,具體加工工序如下:選料→切片→研磨操作→拋光操作→腐蝕撓性梁操作→腐蝕極板距操作→清洗操作→上下片鉆孔操作→下片擴(kuò)孔操作→清洗操作→蒸鍍電極操作→焊接作業(yè)→電極引線封→蒸鍍電極焊接作業(yè)→檢驗(yàn)工作等。以下對(duì)部分工序進(jìn)行探討。

        3.1 選料過程

        本設(shè)計(jì)將上海石英玻璃廠出品的“JGS的遠(yuǎn)紫外石英物質(zhì)材料”擬定為案例選料。結(jié)合傳統(tǒng)加工方法、具體的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),加工工藝上以穩(wěn)定片子為主,確保該石英擺片在加工環(huán)境下的機(jī)械、物理、化學(xué)性能穩(wěn)定。該材料的特性要求如下:光譜特性為1類標(biāo)準(zhǔn);光學(xué)均勻性為1類標(biāo)準(zhǔn);雙折射為la類標(biāo)準(zhǔn);條紋為1類c級(jí)標(biāo)準(zhǔn);顆粒不均勻性為1類標(biāo)準(zhǔn);氣泡為0類標(biāo)準(zhǔn);熒光特性為2類標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2 切片過程

        切片在整個(gè)加工制造中具有較大影響,為擺片加工前的重要工序之一[6]。應(yīng)采用高效、適用的切片裝置,保證切出片尺寸精度及其自身的平行度、平整度。在切割原材料過程中,鋸片如發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng),成品精度會(huì)相對(duì)較低。而線鋸切片、帶鋸切片加工模式可提升一定的精度,可加工速度相對(duì)偏低。因此,建議選擇內(nèi)圓切片加工模式,其特點(diǎn)為精度、效率優(yōu)勢(shì)明顯。本案例建議采用J5070—1/ZF型切片裝置,且切片厚度允差為±0.01 mm,平行度的允差為0.01 mm。設(shè)備在刀片裝配完成之后要利用千分表檢驗(yàn),對(duì)其夾裝裝置、刀口徑向進(jìn)行校正,使其跳動(dòng)達(dá)到最小幅度。

        3.3 超聲料落

        該工序也十分關(guān)鍵,對(duì)后續(xù)工藝施展影響頗大[7],操作不當(dāng)容易造成廢成品情況出現(xiàn),也容易導(dǎo)致崩邊問題發(fā)生。同時(shí),傳統(tǒng)工藝加工速度較慢,每片需20 min才能完成,工具容易產(chǎn)生磨損。

        該工序需多方位開展升級(jí)優(yōu)化,并要對(duì)誤差進(jìn)行有效控制。在進(jìn)行重磨工具時(shí)要格外重視,控制橢圓的長(zhǎng)短軸差值在0.02 mm之下??蛇x擇對(duì)磨料噴口的位置進(jìn)行調(diào)整,這樣也可減少誤差。在每次開磨工具時(shí),即進(jìn)行第一片加工時(shí),一定要對(duì)橢圓度進(jìn)行檢查,若出現(xiàn)超差,要馬上進(jìn)行工具替換。

        磨料細(xì)度對(duì)呈現(xiàn)結(jié)果也很重要。可不用對(duì)粗糙度腐蝕完成后進(jìn)行修邊作業(yè),且整齊度較好。在超聲作業(yè)中造成的損傷層為25 μ。其損傷方面超出噴射性作業(yè)2.5 μ。所以,拋光余量應(yīng)設(shè)定稍大,為其對(duì)該層進(jìn)行拋光做好準(zhǔn)備。

        超聲作業(yè)中,在擺片落料完成后要使其自身的粗糙度Rz=2.9 μ 。磨料細(xì)度對(duì)最終效果影響頗大,在修變作業(yè)中不必考慮是否完成粗糙腐蝕處理,可直接對(duì)其進(jìn)行操作,且整齊度符合要求,經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn),超聲作業(yè)造成損傷層約為25 μ。同時(shí)損傷層面超出噴射性作業(yè)的2.5 μ?;诖耍瑨伖庥嗔吭O(shè)定應(yīng)提升,為后期拋掉奠定基礎(chǔ)。

        3.4 擺片精磨及拋光作業(yè)

        擺片拋光方法與常規(guī)光學(xué)平面的拋光操作非常相近,但其自身特點(diǎn)也較為明顯。

        (1)片子能夠呈現(xiàn)相對(duì)的溝槽形狀,容易發(fā)生變形,不能采用光膠進(jìn)行上盤作業(yè)。

        (2)完成拋光作業(yè)后,要對(duì)其腐蝕程度進(jìn)行檢測(cè),以保證不發(fā)烏為主,也不能存在任何大小不一的刮痕等。

        (3)片子平行度一般小于0.007 mm。

        (4)片子結(jié)構(gòu)及厚度較薄,主要在上盤操作中極易出現(xiàn)變形情況。

        通過試驗(yàn)分析,片子經(jīng)拋光作業(yè)后極易出現(xiàn)腐蝕情況,且片子平行度誤差也會(huì)出現(xiàn),會(huì)對(duì)零構(gòu)件的使用周期及穩(wěn)定性造成影響。腐蝕情況出現(xiàn)是由于表面打磨中的變質(zhì)去除不徹底,所以不能采用普通的拋光方式,應(yīng)針對(duì)性處理。而平行度問題主要是在浮膠上盤法中,厚度為0.02~0.03 mm的膠層處于片子底部,該膠層具備黏度,加之片子厚度為0.8 mm左右,很難讓片子與墊板平行貼合。因此,對(duì)此問題需格外重視。

        3.5 膜片金屬化工藝

        膜片金屬化主要涉及蒸鍍電極、孔二者的金屬化作業(yè)。根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn),該蒸鍍電極選擇的材料是鉻金粉,該材料可靠而穩(wěn)定。蒸鍍電極作業(yè)直接關(guān)乎壓力傳感器的連接性能,是整個(gè)石英壓力傳感器的關(guān)鍵管控點(diǎn)。一旦電極蒸鍍發(fā)生不牢靠等情況,會(huì)嚴(yán)重影響傳感器的運(yùn)作壽命。在研究中,通常膜片上的鉻層不容易發(fā)生脫落,易脫落的反而是金層。研究發(fā)現(xiàn),影響其牢固程度的主要因素為膜片的烘烤溫度、蒸發(fā)速度。因此,要解決金層容易脫落的問題,只要調(diào)整合適的蒸發(fā)速度與溫度即可。

        同時(shí),在腐蝕平橋掩膜設(shè)計(jì)中,梯形槽寬度t要對(duì)側(cè)向腐蝕系數(shù)A進(jìn)行充分考慮。因此,需對(duì)A的數(shù)值進(jìn)行明確。當(dāng)t=2.50 μm,在45 ℃的HF ∶CH3COOH=9 ∶4的溶液中進(jìn)行測(cè)試,數(shù)據(jù)見表1。

        表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        3.6 相關(guān)封接技術(shù)及方法

        周邊封接技術(shù)及方法的合理運(yùn)用對(duì)提升整個(gè)設(shè)計(jì)工藝十分關(guān)鍵。首先,封接技巧較多,在具體應(yīng)用中可選擇性采納,如靜電模式封接方法、焊接封接方法、激光模式封接方法等。其中,最為有效的就是等離子模式焊接方式。該方式具有很多優(yōu)勢(shì),其弧能束較為緊湊集中,焊接效率較高;在特定情況下電弧也較為平穩(wěn),可對(duì)相對(duì)細(xì)小的細(xì)絲進(jìn)行焊接;并可對(duì)石英玻璃的局部進(jìn)行快速熔融,能快速實(shí)現(xiàn)焊接。選擇柔性弧焊方式可最大程度減輕沖擊影響。

        另外,在與焊接相關(guān)的熱應(yīng)力計(jì)算中也要格外注意。應(yīng)對(duì)等離子焊接技法在傳感器中的應(yīng)用進(jìn)行分析,選擇高溫熔融的方式對(duì)其進(jìn)行處理。但通過試驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn),此時(shí)膜片位于中心部位的電極溫度達(dá)數(shù)百攝氏度,極易發(fā)生蒸鍍電極脫落。基于此,若選擇增加冷卻模式,則會(huì)導(dǎo)致傳感器在焊接中發(fā)生熱應(yīng)力提升等問題。如傳感器在運(yùn)行中可能出現(xiàn)裂紋,這種情況就是熱應(yīng)力提升導(dǎo)致的。分析后發(fā)現(xiàn),焊接過程中的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力發(fā)生。處理方式是去應(yīng)力并退火,主要流程為加熱、保溫、慢冷、快冷等。

        4 效果分析

        第一,提升測(cè)量精度與生產(chǎn)效率。通過對(duì)該后置處理設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)踐及測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其整體運(yùn)行能力較為穩(wěn)定,可靠性較好,不存在相繼沖擊與干擾情況。

        第二,控制成本投入及消耗。通過對(duì)石英壓力傳感器制造工藝的研究,在實(shí)際實(shí)踐后發(fā)現(xiàn),其具有較高的價(jià)值,主要體現(xiàn)在成本投入控制與消耗降低方面。傳統(tǒng)模式中成本投入較高,且增產(chǎn)增效、提升加工質(zhì)量的效果較差。從綜合成本投入層面分析,傳統(tǒng)石英壓力傳感器制作工藝存在諸多漏洞。本次設(shè)計(jì)研究的系統(tǒng)成本投入相對(duì)較少,后期追加投入不高,具有一定的可持續(xù)性應(yīng)用與使用周期,通過對(duì)各消耗層面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,本設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有低消耗、節(jié)省成本的作用。

        5 未來展望

        5.1 加強(qiáng)傳感器技術(shù)人才隊(duì)伍建設(shè)

        石英壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝研發(fā)的前提是人的作用的發(fā)揮,缺乏人的功能介入,容易導(dǎo)致傳感器研發(fā)斷層。因此,要最大限度提升專業(yè)化傳感器人才培養(yǎng)與技術(shù)培訓(xùn)。第一,全面提升傳感人員專業(yè)能力,將專業(yè)化、職業(yè)化作為人才培養(yǎng)方向,對(duì)相關(guān)人才進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。第二,提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員核心素養(yǎng)及職業(yè)道德,構(gòu)建崗位責(zé)任機(jī)制,樹立研發(fā)性職業(yè)思維,全面落實(shí)各項(xiàng)傳感器研發(fā)任務(wù)及工作。第三,人才吸引應(yīng)從內(nèi)部培養(yǎng)、外部招聘等層面入手,對(duì)人才的多樣化進(jìn)行詮釋,最大限度實(shí)現(xiàn)對(duì)人才的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用。

        5.2 科學(xué)應(yīng)用傳感器制造技術(shù)

        在傳感器技術(shù)應(yīng)用方面,一定要充分注重產(chǎn)品的質(zhì)量控制,將質(zhì)量控制的時(shí)效性充分發(fā)揮??刹捎脛?chuàng)新思維、開發(fā)創(chuàng)作的方式,對(duì)不同類型傳感器在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)揮進(jìn)行詮釋,這樣才能在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。第一,傳感器技術(shù)應(yīng)用要科學(xué)、合理。在石英壓力傳感器設(shè)計(jì)過程中,要對(duì)各種傳感器技術(shù)進(jìn)行匯總分析,快速處理影響測(cè)量質(zhì)量的主要問題。第二,認(rèn)真研發(fā)傳感器技術(shù),在技術(shù)管控中要對(duì)產(chǎn)品研發(fā)過程的質(zhì)量意識(shí)進(jìn)行深化,并對(duì)技術(shù)資源等進(jìn)行合理配置,為提升測(cè)量效率與質(zhì)量打下基礎(chǔ)[8]。

        6 結(jié)論

        石英壓力傳感器作為諸多領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)重要應(yīng)用技術(shù),其重要性不言而喻,本文系統(tǒng)全面地對(duì)石英壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝進(jìn)行闡明,對(duì)不同階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程、制造工藝要點(diǎn)等進(jìn)行具體概述,起到完善實(shí)踐操作與理論學(xué)術(shù)參考作用。同時(shí),石英壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝不是簡(jiǎn)單流程,而是更為科學(xué)合理的系統(tǒng)布局,從石英壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)本文都進(jìn)行了詳細(xì)論述,為日后相關(guān)理論研究與實(shí)踐應(yīng)用提供參考幫助。

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