耐低温气象压阻传感器研制

张 娜，唐 慧，梁 峭，刘 剑，孙海玮

(沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁 沈阳110043)

0 引 言

应用于航天环控系统空气流量测试的压力传感器要具备性能稳定、体积小、结构可靠等特点，为了满足要求并提高传感器对某些恶劣环境的适应能力，需要对敏感芯片进行涂胶保护［1］。

应用在传感器上的灌封胶除具有优良的电绝缘性、憎水性、耐候性及粘接性外，还要求具有良好的吸振性，达到保护传感系统，以减少外界因素对传感器参数带来的影响。

本文设计制作了一种耐低温气象压阻传感器，测试结果表明:该传感器性能优良，具有实用价值。

1 芯片设计

采用自产的扩散硅压阻芯片，根据硅基压阻效应原理，以半导体平面工艺技术，在硅片的正面上，对称设计4 只P型扩散硅力敏电阻元件在正负应变区上，用金属铝薄膜连接4 只电阻器形成惠斯登电桥［2］。使用MEMS 技术的各向异性化学腐蚀方法，将硅片背面电阻区腐蚀成μm 量级的敏感膜片;采用阳极键合工艺，将绝缘玻璃圆片与硅晶圆背面刚性连接，作为绝缘和应力隔离衬底［3］。扩散硅电阻随被测介质的压力增加而增加或减小，造成惠斯登电桥的不平衡电压与被测压力呈线性变化。电路原理见图1。

图1 惠斯登电桥Fig 1 Wheatstone bridge

2 TO—8 管座的设计加工

TO—8 管座结构如图2 所示。该结构体积小巧，封装简单，可适用于印刷电路板安装。

图2 TO—8 管座结构图Fig 2 TO—8 socket structure diagram

3 芯片封装

3.1 封装材料的选择

考虑到对外界环境的适应性，敏感芯片采用硅凝胶涂覆保护。硅凝胶的选择既要起到隔离保护作用，又要起到弹性传递作用，由胶引起的压力损耗要非常小;同时因为传感器的使用温区要求－55～95 ℃，硅凝胶热膨胀系数要小，在低温条件下要保持弹性良好。根据以上条件总结出挑选硅凝胶的基本要求:1)柔软，针入度大，大于100(1/10 mm);2)热应力小;3)宽的使用温区－60～100 ℃;4)低粘度、带粘性小于1 000 mPa·s;5)透明凝胶状;6)加成型，无副产物生成，固化后不收缩;7)防潮、绝缘、耐老化、防震、无腐蚀、化学性能稳定［4］。

3.2 封装参数确定

硅凝胶的厚度是影响传感器性能的一个重要的参数，由于在整个传感器封装中，保护胶与各种材料之间的热膨胀系数不同，温度循环后传感器内部会产生热应力，影响传感器输出的准确性［5，6］。实验分别测量了涂覆硅凝胶的传感器与不涂硅凝胶传感器热循环后满量程输出，将它们差值对应硅凝胶厚度绘制曲线如图3，由图可以看出:硅凝胶越薄对传感器输出影响越小，当厚度小于2 mm 时，硅凝胶厚度的变化对传感器输出影响很小，这个厚度理论上可以作为硅胶涂敷的工艺参数，但是在实际的生产中由于要考虑硅胶材料对传感器的保护性能，因此，硅胶厚度的工艺参数要从对传感器输出影响最小和能提供足够的保护两个方面综合考虑。

图3 硅凝胶厚度与传感器性能关系曲线Fig 3 Curve of relationship between silicon gel thickness and sensor performance

3.3 工艺步骤

1)前烘

任何物质表面都会吸附水分，不但会降低粘接强度，而且会使灌封材料的绝缘性恶化，选择合适的温度对器件进行烘干驱潮是必要的。但是，烘干后温度一旦降到室温应立即封装，放置时间一般不超过2 h;否则，会二次吸潮。

2)配胶与真空脱泡

硅凝胶a，b 组分按比例混合，搅拌均匀，真空脱泡。气泡的存在除了影响美观，还严重影响灌封件使用的可靠性，所以，在一定真空度下保持足够的时间使气泡排净［7］。所用真空干燥箱真空度0.6 kPa 以上，环境温度23 ℃左右，抽真空2 h 以上。

3)器件灌封

器件和硅凝胶都准备好了就开始灌封，根据实验结果控制好每个器件的胶量。由于器件体积小，涂覆胶厚度薄，灌封后，器件水平静置20 min 即可脱泡。

4)后烘固化

封装后的器件摆放整齐，放入烘箱中100 ℃固化2 h。

4 测试结果

对量程为200 kPa 的传感器进行常温静态测试、高低温稳定性测试、温漂测试［8］，测试结果见表1 与表2。

表1 传感器性能测试数据Tab 1 Test datas of sensor performance

表2 －55～95 ℃传感器性能测试数据Tab 2 Performance test datas of sensor at －55～95 ℃

测试结果显示:在－55～95 ℃的使用温区上，该传感器常温静态与高低温性能良好。

5 结 论

本文设计制作的传感器性能良好，使用温区在－55～95 ℃，而相关厂家传感器样本气象TO—8 型使用低温极限为－45 ℃。本产品在低温性能上更有优越性，并且制作工艺步骤简单、成本低、具有很高的实用价值。

［1］ 赵怀东，刘文静.有机硅凝胶在灌封技术中的应用［J］.航天制造技术，2002，4(2):37－39.

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［5］ 陈思远，罗玉峰，谭六喜，等.气压传感器中芯片保护材料硅凝胶的优化设计［J］.传感器世界，2007(1):21－23.

［6］ 李 威，杨燕飞，段红军.保护胶在小量程压力传感器封装中的影响研究［C］∥STC'12 大会论文集，昆山，2012:272－275.

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