陶瓷壓阻式機油壓力傳感器研制

中國電子科技集團公司第三十八研究所，微電子封裝研究中心，安徽合肥 230000

一、引言

隨著汽車工業技術的發展，現代汽車越來越智能化，作為車況信息第一感知單元的各類傳感器發揮著關鍵作用。其中，用于發動機潤滑系統機油壓力情況檢測的機油壓力傳感器，是現有汽車傳感器中使用量較大的一種，在汽車發動機的正常運轉中起著重要作用。

目前，國內汽車行業仍廣泛采用傳統的滑線式機油壓力傳感器，由一個波紋膜片和一個滑線電位器構成。由于滑線電位器具有機械觸點，且該觸點處通過的最大電流可達100 mA，加之汽車野外行駛路況復雜，需要不斷承受沖擊、顛簸、振動、過載、腐蝕以及高低溫（-30～+110℃），使得該類傳感器的機械、電氣壽命受到嚴重影響，成為汽車發動機機油壓力傳感器失效的主要因素之一[1,2]。

針對傳統機油壓力傳感器存在問題，設計制作了一種基于陶瓷壓阻檢測原理的新型油壓傳感器，經過系列實驗測試論證，其綜合檢測精度達到0.925%F.S.，壓力量程范圍為1MPa，應用溫度上限125℃，在2～3 MPa過載、爆破壓力加載后工作正常，具有檢測精度高、性能可靠、耐腐蝕、耐磨損等優點，可被有效應用于各種車輛發動機潤滑系統的機油壓力檢測中。

二、傳感器結構與檢測原理

設計制作的機油壓力傳感器結構如圖1中所示：左圖是帶柔性處理電路的陶瓷壓力傳感芯片；右圖是用金屬外殼封裝集成好的機油壓力傳感器成品。

傳感芯片主要由陶瓷彈性膜片和厚膜電路兩部分組成，另外還有陶瓷基座和溫補、零補電路等。使用的陶瓷彈性膜片為96% Al2O3材料的圓片結構，具有厚度均勻、膜片平整、內應力小等特點。厚膜電阻（釕酸鹽漿料）是通過絲網印刷技術掩模轉印到陶瓷彈性膜片背面，經高溫燒結而成的。4個厚膜電阻被設計成惠斯通全橋結構，在彈性膜片上的位置如圖2中所示。

當有外加壓力作用時，陶瓷彈性膜片將產生撓曲變形，致使其背面的厚膜電阻也產生相同應變?；趬鹤栊?，厚膜電阻內部導電顆粒間接觸狀態將發生改變，導致其阻值變化。此時，電阻R2和R4受陶瓷基底的軸向擠壓，產生壓縮應變，阻值減??；電阻R1和R3在彈性膜片的中央受到拉伸，產生拉伸應變，阻值增大。這樣，由電阻R1、R2、R3、R4組成的全橋將失去平衡，在恒壓源U0供電時，理想情況下電橋輸出電壓信號U為[3]：

由厚膜電阻應變系數（GF）定義：

其中，R—單個厚膜電阻值；

ΔR—電阻變化量；

ε—厚膜電阻微應變。

又據板殼力學分析知識，在小撓度變形假設條件下[3,4]，當有壓強為P的作用力施加到半徑為r、厚度為t的圓形陶瓷彈性膜片上時，距離其中心點x處的徑向微應變ε近似為[3]：

式中，v—泊松比；

E—楊氏模量。

結合（1）、（2）、（3）式，可得：

在陶瓷壓力傳感器制作成型后，式（4）中的GF、E、v、t、r、x值都為常數，當輸入電壓U0為恒壓時，電橋輸出信號U與所施加壓強P之間成線性關系，即可通過U來實現P的等效檢測。

但由于電橋直接輸出的原始電壓信號比較微弱，一般在mV/V量級，很難被有效探測，所以需要外接處理電路來對信號進行放大輸出。此處采用了柔性處理電路設計，除了便于貼片機批量貼裝、電路一致性好、穩定可靠、體積小等特點外，其還能任意彎折變形，使在焊接外插端子時更靈活方便，批量焊接效率提高；同時，該設計也避免了傳感器在封裝過程中產生擠壓應力對元器件造成損壞，提高封裝成品率。結構上，還設計了兩個對稱的凸邊電路地極（GND），可使傳感器在封裝時，能快速、準確的與金屬外殼接地（保證傳感器零點長期穩定），提升傳感器批量封裝效率。

三、實驗測試與討論

將設計制作的陶瓷壓力傳感器（量程范圍1MPa），進行不同溫度、壓強點的實驗測試，驗證其性能。具體操作過程如下：

1、氣路連接

通過不銹鋼耐壓導氣管依次將傳感器——氣體壓力調節器——高壓氣源連接，并檢查各連接處氣密性，再將傳感器放置在高低溫箱腔體中，做好實驗準備。

2、傳感器標定

在常溫22℃、中間溫度點65℃和高溫點125℃處，分別對傳感器進行系列加壓測試（0 MPa, 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.6 MPa, 0.8 MPa, 1.0 MPa），通過校準軟件對數據進行自動記錄、計算，得出電壓輸出信號與施加壓強的線性曲線關系式（5），并將其寫入處理電路芯片中，完成傳感器的標定校準。

式中，P—施加壓強，單位：MPa；

Vcc—輸入電壓，單位：V；

Vout—輸出電壓信號，單位：V。

3、傳感器測試

將傳感器接線端子上的三個引腳(電源輸入Vcc，信號輸出Vout，地極GND，如圖3所示)通過耐高溫導線，分別連接到高低溫箱外部的恒壓直流源、高精度數字萬用表對應端口上；選取了22℃、71℃和125℃三個溫度點，分別對傳感器進行多個壓力點測試，記錄電壓輸出信號值，如表1所示。

表1 不同溫度、壓強條件下測試數據

從以上測試數據可以計算分析出，經標定后的傳感器在不同溫度、壓強條件下，其測試引用誤差最大值（表征傳感器綜合檢測精度）為0.925%F.S.（在71℃、1.000MPa處），達到了市面上壓力傳感器應用精度≤2%F.S.的要求[5]。

另外，還在常溫常壓下隨機選取3個傳感器芯片，進行了過載（2倍量程）、爆破（3倍量程）壓力實驗測試：將傳感器芯片壓力依次從0MPa（零位）升到1MPa（滿量程）、2MPa（過載壓力）、3MPa（爆破壓力），再降回到零位的測試過程，其中每步穩定時間為5min，測試原始數據（未處理放大）如表2中所示。

表2 過載、爆破壓力測試數據

從表2中實驗數據可以看出，3個傳感器芯片在經受了長時間的過載、爆破壓力測試過后，零位輸出依然保持不變，證明傳感器工作正常，未被損壞，驗證了傳感器的穩定可靠性。

四、結束語

設計制作了一種陶瓷壓阻式機油壓力傳感器，并利用搭建的高低溫壓力測試系統對其進行了標定和測試，在溫度22℃～125℃、壓強0～1MPa環境條件下，其綜合檢測精度為0.925%F.S.，達到了市面上壓力傳感器應用精度≤2%F.S.的要求；并隨機抽取3個傳感器芯片進行了過載、爆破壓力測試，其可靠性得到驗證。設計的傳感器精度高、性能穩定，可被有效應用到機油壓力及其他相關場合的壓力檢測中。