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

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較少，基于此，采取行之有效的方法對其進(jìn)行分析研究，如針對選料過程、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)定性較高的一種測量型傳感器。通過市場調(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)相對較小。同時(shí)，該類傳感器的精度和穩(wěn)定性也相對較高，如在測量精度層面，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?，如膜片中心所能造成的位移相差不大，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)對其外部造成一定波及。所以，應(yīng)結(jié)合具體情況對載荷進(jìn)行優(yōu)化操作，主要處理措施是對壓力傳感器表面上方X位置進(jìn)行載荷操作。對已劃分完成后的單元上進(jìn)行作用力加設(shè)，在X位置所對應(yīng)下面應(yīng)加設(shè)作用力，完成對載荷過程的模擬[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)?？蓪、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，控制橢圓的長短軸差值在0.02 mm之下?？蛇x擇對磨料噴口的位置進(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)度對呈現(xiàn)結(jié)果也很重要?？刹挥脤Υ植诙雀g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?，拋光余量設(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，要對其腐蝕程度進(jìn)行檢測，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要對側(cè)向腐蝕系數(shù)A進(jìn)行充分考慮。因此，需對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，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)，可對相對細(xì)小的細(xì)絲進(jìn)行焊接；并可對石英玻璃的局部進(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?；诖?，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，提升測量精度與生產(chǎn)效率。通過對該后置處理設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)踐及測試，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，對人才的多樣化進(jìn)行詮釋，最大限度實(shí)現(xiàn)對人才的發(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，要對各種傳感器技術(shù)進(jìn)行匯總分析，快速處理影響測量質(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)管控中要對產(chǎn)品研發(fā)過程的質(zhì)量意識(shí)進(jìn)行深化，并對技術(shù)資源等進(jìn)行合理配置，為提升測量效率與質(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。