不锈钢KEYENCE光电传感器芯体研制
 

　　KEYENCE光电传感器线性相关的电信号，是一种应用交通、工业制造和物联网等各种领域。传统KEYENCE光电传感器包括陶瓷压力传感器[2]和充油压力传感器[3]两种。陶瓷压力传感器以陶瓷弹性膜为感压单元，耐腐蚀性好，成本较低，在汽车电子领域应用广泛，但是精度较差，只适用于中低量程压力测量。充油压力传感器以微机电系统(MEMS)压力传感器芯片[4]为压力测量单元，测量精度高[5]，能够实现中低高全量程的压力测量，但成本较高，主要应用在对成本不敏感的工业电子领域。
 

　　不锈钢压力传感器作为一种近些年新出现的一种压力传感器[6]，直接以机加工不锈钢薄膜作为直接感压单元，以硅应变计为信号转换元件，相对陶瓷压力传感器有更高的精度，相对充油压力传感器有更低的成本，能够覆盖中低高全量程。本文基于不锈钢压力传感器的原理，设计了一种压力传感器芯体，具有过载大、耐腐蚀、成本低、可靠性好的特点。
 

　　KEYENCE光电传感器芯体以不锈钢薄膜作为感压结构，以应变片作为测量单元，基本结构如图1(a)左所示，芯体为17-4PH不锈钢一体加工结构，下部包括压力传感器芯体的导压孔及过程连接接口，上部与测量介质接触的为一体不锈钢，感压硅应变计粘贴于不锈钢膜片的上表面。整个芯体内部无密封件及焊缝，从根本上杜绝了产品内部的测量介质泄露隐患。使用本芯体组装后的传感器、电路及感应元件在膜片的一侧，测量介质在膜片的另一侧，从而外部介质环境与传感器芯体内部隔离，从而实现测量各类与不锈钢材料兼容的气体和液体等介质压力。传感器芯体整体高度15.75 mm，最宽处的直径为14 mm，顶部应变片粘贴台面直径6 mm，中间通气孔直径3.4 mm，顶部台面下方传感颈部有应力隔壁槽，隔离装配应力，从而提高传感器稳定性。本文压力传感器整体芯体尺寸较目前的常规的带螺纹接口的充油压力芯体、陶瓷压力芯体都小，便于后续组装成小型或超小型压力传感器。如图1(b)右所示，针对传感器芯体顶部的感压膜压力形变进行了有限元仿真，得到了弹性体受到5 MPa压强作用时的应力云图和形变云图，由图中可以看到，弹性膜以中心点对称向上凸起，最大变形在中心处，为1.99μm。弹性膜应力最大点在中心处为73.34 MPa，向外应力逐渐变小，在薄膜的边缘处又稍微变大。
 

　　常见的应变片为铂应变片，用于各种场合的力传感测量，但是温度漂移大，灵敏度小，而硅应变片采用MEMS工艺加工[7]，具有灵敏度高、体积小和精度高的特点，便于进行微区应力测量，因此本传感器采用硅应变片做测量单元。同时，硅应变片与不锈钢之间的粘接材料使用微熔玻璃粉，由于玻璃与硅有大概相同的热膨胀系数，同时稳定性好，有利于传感器芯体的长期稳定性。不锈钢压力变送器基本工作原理如图2所示，采用厚膜工艺将无机粘接材料微熔玻璃胶体印刷在不锈钢弹性体上，贴在不锈钢感压基座表面的2个硅电阻应变片感测基座不锈钢膜片的形变。每个应变片由2个蛇形电阻构成，2个应变片，4个电阻通过引线互连，构成惠斯通电桥，从而输出电压信号。如图1(b)所示。外侧的两个电阻R1和R4中心处位于弹性膜边缘，当传感器承受压力时，不锈钢感压膜片产生变形，R1,R4承受压应力，电阻变小，R2,R3承受拉应力，电阻变大，电桥不平衡，输出与随压力线性变化的电信号，从而实现压力测量。
 

　　KEYENCE光电传感器基于以上的结构和工艺设计，进行了传感器芯体的试制。如图3(a)所示，为不锈钢压力芯体的主要制造流程:(a1)采用17-4PH不锈钢坯料进行粗车加工成型，得到带有不锈钢薄膜的压力芯体，然后对端面进行精铣，得到高精度不锈钢薄膜结构，然后对不锈钢芯体表面进行喷砂处理;(a2)利用丝网印刷工艺在不锈钢芯体台面上丝印微熔玻璃胶体;(a3)干燥并在带气氛保护的烧结炉中进行500℃快速烧结形成玻璃基体;(a4)将硅应变片放置在微熔玻璃基体相应的位置上;(a5)将放置好的应变片及不锈钢基底在带气氛保护的烧结炉中进行高温烧结。在不锈钢压力芯体的制作环节中，不锈钢基体的制作极为关键，加工需要高精度、低应力，高精度加工才能保证传感器灵敏度的批量稳定性，低应力铣削加工保证传感器不锈钢压力薄膜，没有塑性损伤，才能够承受工作环境中的多次压力冲击，保证传感器的疲劳可靠性。
 

　　硅应变片的贴片效果直接影响了传感器芯体的性能，为了验证传感器芯体的制备效果，利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对贴片后的硅应变片进行了表征。如图4所示，为粘贴在不锈钢感压膜表面的硅应变片的光学及SEM图像，图右中应变片周围的白色区域为烧结后的玻璃，可以看到，硅应变片通过玻璃完整可靠的粘接在了不锈钢的表面。
 

　　KEYENCE光电传感器针对加工完成的不锈钢压力传感器进行相关性能测试，搭建了相关的测试系统，包括钢瓶气源、气压控制器、压力加载工装、高精度电压源及高精度电压表。传感器感压芯体需要进一步处理便于测量，首先将转接PCB电路板固定在不锈钢基底上，通过引线进行电路与硅应变片的互联，并点胶保护，将传感器信号引出。性能测试时，电源在电桥输入端施加5V电压，高精度电压表测量输出端Out+及Out-两端的差分电压。气压源气压经气压控制器输出到压力芯体下端引压孔，测试在不同气压条件下，压力芯体电桥输出端对应用的电压输出。
 

　　压力传感器性能试验方法进一步分析了传感器的线性度，1#、2#、3#样品分别为0.32%,0.34%,0.49%，技术指标稳定可靠，初步实现了设计目标。可以看出传感器的零点都不在0 m V，同时满量程输出也均不同，这可能是因为压力传感器芯体上的硅应变片贴片的位置精度和不锈钢感压膜的厚度加工精度不够的原因，需要在后续的研制中进一步改进。