一種高可靠性壓阻式壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，包括：引壓嘴、敏感元件、轉(zhuǎn)接件、屏蔽件、電路板、濾波器、外殼，引壓嘴上端放置敏感元件，敏感元件和引壓嘴焊接連接，敏感元件和引壓嘴內(nèi)腔形成一個密封腔體；轉(zhuǎn)接件通過螺紋連接引壓嘴并在螺紋處涂膠；引壓嘴和外殼焊接連接；轉(zhuǎn)接件上端固定電路板和屏蔽件，濾波器安裝在屏蔽件上；電連接器固定連接外殼；敏感元件與電路板電連接，電路板與濾波器電連接，濾波器與電連接器電連接，敏感元件測量被測介質(zhì)后輸出電壓信號到電路板，電路板對電壓信號進行溫度補償和濾波放大后輸出測量信號，測量信號通過濾波器保護后傳送至電連接器，成為傳感器輸出。該傳感器具有高過載能力、良好的溫度特性和測量性能，在航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種高可靠性壓阻式壓力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于壓力傳感器設(shè)計技術(shù)，具體涉及一種高可靠性壓阻式壓力傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]壓阻式壓力傳感器在軍事和航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，許多應(yīng)用場合對傳感器的可靠性和溫度誤差都有嚴(yán)格的要求。如在管道壓力測量應(yīng)用中，一旦傳感器失效導(dǎo)致被測氣體或者液體泄露，不僅會使測量任務(wù)失敗，嚴(yán)重的情況甚至?xí)斐扇藛T傷亡。壓阻式傳感器與其他同類傳感器相比，沒有一般機械傳動結(jié)構(gòu)，所以完全消除了摩擦誤差，也能消除一般傳感器中金屬膜片因蠕變、遲滯產(chǎn)生的誤差，大大提高了傳感器的精度，而且耐震性、耐腐蝕性、抗干擾能力、穩(wěn)定性以及可靠性好，廣泛地應(yīng)用在航天、航空、航海等各個領(lǐng)域。
[0003]壓阻式壓力傳感器對溫度敏感，會受到環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致輸出信號產(chǎn)生零點漂移和靈敏度漂移，傳統(tǒng)的溫度補償技術(shù)多采用分離元件設(shè)計，補償方法有串并聯(lián)電阻補償、熱敏電阻補償及二極管補償?shù)龋@些補償方法調(diào)試過程復(fù)雜且補償精度有限，近年來隨著技術(shù)發(fā)展運用智能化信號補償芯片以提高補償精度。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，諸如航空航天、武器裝備等領(lǐng)域?qū)鹤枋綁毫鞲衅髟诖蠓兓臏囟确秶碌目煽啃蕴岢隽嗽絹碓礁叩囊蟆?br>[0004]本發(fā)明提出的高可靠性壓阻式壓力傳感器包括選用MEMS壓力敏感元件、傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫度補償電路設(shè)計三部分。選用合適的MEMS壓力敏感元件可以根據(jù)要求設(shè)計出不同量程的傳感器，方法靈活。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計采用焊接連接和螺紋粘膠防松連接方式，保證產(chǎn)品具有足夠的結(jié)構(gòu)強度，避免泄露和失效，極大的提高了產(chǎn)品的可靠性。溫度補償電路設(shè)計不僅能提高產(chǎn)品的精度，降低溫度誤差，還可以根據(jù)要求自由設(shè)置傳感器輸出信號范圍，采用本發(fā)明提供的傳感器，具有3倍量程壓力過載能力，并能夠通過箭上環(huán)境試驗的考核，滿足航天和軍事領(lǐng)域壓力測量的使用要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]用于航天領(lǐng)域的壓力傳感器，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度和可靠性有嚴(yán)格的要求，本發(fā)明采用了基于MEMS技術(shù)制作的壓阻壓力敏感元件，該元件結(jié)構(gòu)簡單可靠且過載能力強。為了防止傳感器發(fā)生泄露，本發(fā)明采用焊接實現(xiàn)敏感元件和引壓嘴之間的連接，該密封結(jié)構(gòu)可保證產(chǎn)品具備3倍設(shè)計量程的過壓能力；外殼材料為不銹鋼，與引壓嘴焊接，外殼表面經(jīng)導(dǎo)電氧化后具有更好的耐腐蝕性；轉(zhuǎn)接件材料為鋁，該材料輕且工藝性好，轉(zhuǎn)接件和引壓嘴通過螺紋加粘膠連接，該方式操作簡便且強度高，可有效保證傳感器的可靠性。
[0006]本發(fā)明提供一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，包括:引壓嘴、敏感元件、轉(zhuǎn)接件、屏蔽件、電路板、濾波器、外殼，引壓嘴上端放置敏感元件，敏感元件和引壓嘴焊接連接，敏感元件和引壓嘴內(nèi)腔形成一個密封腔體；轉(zhuǎn)接件通過螺紋連接引壓嘴并在螺紋處涂膠；引壓嘴和外殼焊接連接；轉(zhuǎn)接件上端固定電路板和屏蔽件，濾波器安裝在屏蔽件上；電連接器固定連接外殼；敏感元件與電路板電連接，電路板與濾波器電連接，濾波器與電連接器電連接，敏感元件測量被測介質(zhì)后輸出電壓信號到電路板，電路板對電壓信號進行溫度補償和濾波放大后輸出測量信號，測量信號通過濾波器保護后傳送至電連接器，成為傳感器輸出。
[0007]所述電路板為雙層板，材料為環(huán)氧玻璃布壓板，包括第一穩(wěn)壓源和第二穩(wěn)壓源，信號調(diào)理芯片，感壓電橋；電源接第一穩(wěn)壓源第1管腳和第二穩(wěn)壓源第1管腳，第一穩(wěn)壓源第 1管腳接0.luf?電容接地，第二穩(wěn)壓源第1管腳接0.luf?電容接地，第一穩(wěn)壓源第3管腳和第二穩(wěn)壓源第3管腳共同接地；第一穩(wěn)壓源和第二穩(wěn)壓源為信號調(diào)理芯片供電；第二穩(wěn)壓源第2管腳接信號調(diào)理芯片的第9管腳，第一穩(wěn)壓源第2管腳接信號調(diào)理芯片的第7管腳； 信號調(diào)理芯片的第5管腳接感壓電橋的1端，給感壓電橋供電，信號調(diào)理芯片的第5管腳與第1管腳短接；信號調(diào)理芯片的第4管腳接感壓電橋的4端，信號調(diào)理芯片的第6管腳接感壓電橋的2端，感壓電橋的3端接地G，信號調(diào)理芯片的第3管腳和第8管腳接地；調(diào)試時信號調(diào)理芯片的第11管腳和第10管腳連通智能調(diào)試系統(tǒng)，調(diào)試完信號調(diào)理芯片的第11管腳懸空，第10管腳接地；信號調(diào)理芯片的第2管腳輸出溫度補償并放大后的信號，信號調(diào)理芯片的第2管腳接低通濾波電路后輸出。
[0008]進一步的，在電源到地之間并接瞬態(tài)電壓抑制二極管。
[0009]所述引壓嘴采用不銹鋼材料，引壓嘴下端設(shè)螺紋、螺距，引壓嘴上端設(shè)螺紋。
[0010]所述敏感元件為MEAS 87N和MEAS 85C。
[0011]轉(zhuǎn)接件材料是鋁，下端內(nèi)部螺紋和引壓嘴上端螺紋配合，上端有4個螺紋孔和1個凹槽。
[0012]所述電連接器為4芯插針，1號插針連接+15V電源，2號插針連接輸出信號，3號插針連接地，4號插針為空。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:
[0014]為檢驗本發(fā)明的效果，生產(chǎn)了本發(fā)明所述的10只樣機，其中5只小量程壓力傳感器，5只大量程壓力傳感器，所有傳感器均能夠承受3倍量程的壓力過載，并且順利通過振動、溫循、沖擊、過載及低氣壓等嚴(yán)酷條件的試驗。試驗測試結(jié)果表明，本發(fā)明壓阻式壓力傳感器的零位輸出電壓分布在144mV?156mV之間，滿量程輸出電壓分布在4.898V?4.903V 之間，常溫精度分布在0.080 %?0.146 %之間，全溫度范圍總精度分布在:0.216 %? 0.358%之間，均能很好的滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。
[0015]本發(fā)明提供的高可靠性壓阻式壓力傳感器具有高過載能力和良好的溫度特性，具有優(yōu)良的測量性能，在航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?！靖綀D說明】
[0016]圖1是本發(fā)明壓阻式壓力傳感器的整機結(jié)構(gòu)圖；
[0017]1-引壓嘴2-敏感元件3-轉(zhuǎn)接件4-外殼5-電路板6-螺釘7-屏蔽件8-濾波器9-導(dǎo)線10-螺釘11-電連接器A-焊縫B-焊縫
[0018]圖2是大量程傳感器引壓嘴的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是小量程傳感器引壓嘴的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是大量程傳感器轉(zhuǎn)接件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5是小量程傳感器轉(zhuǎn)接件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6是外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖7是屏蔽件的主視圖；
[0024]圖8是屏蔽件的俯視圖；
[0025]圖9是智能補償電路圖；【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例， 本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明要求保護的范圍。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的壓阻式壓力傳感器包括引壓嘴、敏感元件、轉(zhuǎn)接件、屏蔽件、 濾波器、外殼，敏感元件和引壓嘴焊接連接，測量時將引壓嘴通過螺紋連接到被測管道或箱體上，里面的被測氣體或液體進入到引壓嘴內(nèi)腔與敏感元件接觸，敏感元件承壓后輸出電壓信號到電路板，電壓信號經(jīng)電路板溫度補償和濾波放大后通過電連接器輸出。
[0028]1、敏感元件焊接
[0029]選用MEAS公司生產(chǎn)的敏感元件85C系列傳感器作為小量程傳感器敏感元件，量程 15-500psi ;選用MEAS 87N系列傳感器作為大量程傳感器敏感元件，量程1000-5000psi。這兩個系列均為可焊型全不銹鋼材料。根據(jù)敏感元件外形尺寸不同，引壓嘴上端尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計也不同，如圖2、圖3所示。85C系列傳感器安裝到小量程引壓嘴上端，87N系列傳感器安裝到大量程引壓嘴上端，敏感元件和引壓嘴通過焊接連接，敏感元件和引壓嘴內(nèi)腔共同形成一個密封的腔體。
[0030]2、轉(zhuǎn)接件結(jié)構(gòu)
[0031]傳感器的轉(zhuǎn)接件結(jié)構(gòu)用于固定電路板和屏蔽件，根據(jù)引壓嘴尺寸不同，轉(zhuǎn)接件也有不同的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。轉(zhuǎn)接件材料是鋁，該材料輕且工藝性好。轉(zhuǎn)接件下端內(nèi)部螺紋與引壓嘴連接，并粘膠防松，轉(zhuǎn)接件上端用于固定電路板和屏蔽件；屏蔽件上裝有濾波器，可實現(xiàn)對外界電磁干擾信號的屏蔽。
[0032]3、傳感器電路設(shè)計
[0033]傳感器電路設(shè)計采用信號調(diào)理芯片對傳感器輸出進行補償，并采用瞬態(tài)電壓抑制二極管實現(xiàn)電路抗尖峰脈動干擾。選用Maxl452為信號調(diào)理芯片，Maxl452芯片為16引腳SS0P封裝，工作溫度范圍在-40?125°C之間，供電電壓范圍為4.5?5.5V，功耗電流為 2mA。Maxl452可同時實現(xiàn)零點和靈敏度的補償，補償后傳感器溫度誤差可以達到傳感器滿量程0.5 %以內(nèi)，并且不會使輸出端信號引入量化噪聲。
[0034]如圖9所示，為Maxl452的應(yīng)用電路。U1和U2為兩片穩(wěn)壓芯片7805, U3為 Maxl452，U4為感壓電橋。U3有兩個供電端，一個是正電源電壓VDD，另一個是EEPR0M的供電電壓VDDF，為了抑制相互間的噪聲干擾，選用兩個穩(wěn)壓芯片U1和U2分別供電。
[0035]+15V電源接穩(wěn)壓源U1第1管腳in和穩(wěn)壓源U2第1管腳in。U1第1管腳in接 0.luf電容C1接地，U2第1管腳in接0.luf電容C2接地。U1第3管腳GND和U2第3管腳GND共同接地G。U1和U2為Maxl452供電，U2第2管腳out接信號調(diào)理芯片U3的第9管腳VDDF，U1第2管腳OUT接U3的第7管腳VDD。U3的第5管腳BDR接U4的1端，Maxl452 上電工作后通過BDR給電橋U4供電，恒壓供電時U3的第5管腳BDR與第1管腳ISRC短接，U3的第4管腳INP接U4的4端，U3的第6管腳INP接U4的2端。U4的3端接地G。U3的第3管腳VSS和第8管腳TEST接地G。U3的第2管腳OUT輸出溫度補償并放大后的信號。 R1和C3組成低通濾波電路，U3的第2管腳OUT接低通濾波電路后輸出U0。
[0036]在電源到地之間并接瞬態(tài)電壓抑制二極管，在電源出現(xiàn)過電壓的尖峰脈沖時，其工作阻抗立即降到很低的導(dǎo)通值，吸收電源尖峰脈沖的能量，并將電壓鉗位到額定值5V， 保護傳感器電路。在電源和瞬態(tài)電壓抑制二極管之間串入限流電阻，當(dāng)瞬態(tài)電壓抑制二極管工作阻抗降到導(dǎo)通值時，限流電阻會起到對供電電源的保護作用。
[0037]后置信號濾波放大電路可以對溫度補償后的輸出信號進行濾波和放大，濾除高頻干擾信號。電路板為雙層板，材料選用環(huán)氧玻璃布壓板作為材料，強度較大。如圖1所示， 電路板通過螺釘和轉(zhuǎn)接件、屏蔽件連接，結(jié)構(gòu)可靠。
[0038]3、整機結(jié)構(gòu)的裝配連接
[0039]整機結(jié)構(gòu)裝配過程中，機械連接主要有三處，分別是引壓嘴和外殼、轉(zhuǎn)接件和引壓嘴、電連接器和外殼，三處的連接強度對整機的結(jié)構(gòu)強度非常關(guān)鍵，其中外殼和引壓嘴通過焊接連接，轉(zhuǎn)接件和引壓嘴通過螺紋連接處凃膠固定措施，電連接器和外殼連接螺釘上涂膠固定防松，三處連接結(jié)構(gòu)可靠，有效保證了整機的結(jié)構(gòu)強度。另外，敏感元件與引壓嘴焊接連接，電路板和屏蔽件通過螺釘與轉(zhuǎn)接件連接，濾波器安裝在屏蔽件上。電連接器通過螺釘與外殼相連。
[0040]電氣連接為敏感元件與電路板相連，敏感元件測量被測介質(zhì)后輸出電壓信號Uin 到電路板，電路板對電壓信號Uin進行溫度補償和濾波放大后輸出測量信號Ut，測量信號 Ut通過濾波器保護后傳送至電連接器與外界相連，成為傳感器輸出Uout。電連接器為4芯插針，1號插針連接+15V電源，2號插針連接輸出信號Uout，3號插針連接地，4號插針為空。
[0041]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專利技術(shù)人員來說是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，在其他實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬范圍。
【主權(quán)項】
1.一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，其特征在于，包括:引壓嘴、敏感元件、轉(zhuǎn)接件、屏蔽件、電路板、濾波器、外殼，引壓嘴上端放置敏感元件，敏感元件和引壓嘴焊接連接，敏感元件和引壓嘴內(nèi)腔形成一個密封腔體；轉(zhuǎn)接件通過螺紋連接引壓嘴并在螺紋處涂膠；引壓嘴和外殼焊接連接；轉(zhuǎn)接件上端固定電路板和屏蔽件，濾波器安裝在屏蔽件上；電連接器固定連接外殼；敏感元件與電路板電連接，電路板與濾波器電連接，濾波器與電連接器電連接，敏感元件測量被測介質(zhì)后輸出電壓信號到電路板，電路板對電壓信號進行溫度補償和濾波放大后輸出測量信號，測量信號通過濾波器保護后傳送至電連接器，成為傳感器輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述電路板為雙層板，材料為環(huán)氧玻璃布壓板，包括第一穩(wěn)壓源和第二穩(wěn)壓源，信號調(diào)理芯片，感壓電橋；電源接第一穩(wěn)壓源第I管腳和第二穩(wěn)壓源第I管腳，第一穩(wěn)壓源第I管腳接0.1uf電容接地，第二穩(wěn)壓源第I管腳接0.1uf電容接地，第一穩(wěn)壓源第3管腳和第二穩(wěn)壓源第3管腳共同接地；第一穩(wěn)壓源和第二穩(wěn)壓源為信號調(diào)理芯片供電；第二穩(wěn)壓源第2管腳接信號調(diào)理芯片的第9管腳，第一穩(wěn)壓源第2管腳接信號調(diào)理芯片的第7管腳；信號調(diào)理芯片的第5管腳接感壓電橋的I端，信號調(diào)理芯片的第5管腳給感壓電橋供電，第5管腳與第I管腳短接；信號調(diào)理芯片的第4管腳接感壓電橋的2端，信號調(diào)理芯片的第6管腳接感壓電橋的4端，感壓電橋的3端接地，信號調(diào)理芯片的第3管腳和第8管腳接地；信號調(diào)理芯片的第2管腳輸出溫度補償后的信號，信號調(diào)理芯片的第2管腳接低通濾波電路后輸出。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，其特征在于，在電源到地之間并接瞬態(tài)電壓抑制二極管。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項權(quán)利要求所述的一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述引壓嘴采用不銹鋼材料，引壓嘴下端設(shè)螺紋、螺距，引壓嘴上端設(shè)螺紋。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述敏感元件為 MEAS 87N 和 MEAS 85C。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)接件材料是鋁，下端內(nèi)部螺紋和引壓嘴上端螺紋配合，上端有4個螺紋孔和I個凹槽。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高可靠性壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述電連接器為4芯插針，I號插針連接+15V電源，2號插針連接輸出信號，3號插針連接地，4號插針為牢。
【文檔編號】G01L9/06GK105973525SQ201510661174
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年10月14日
【發(fā)明人】張艷華, 陳玉玲, 趙爽, 李國珍, 史巖峰, 邰愛民
【申請人】北京強度環(huán)境研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院