压力传感器封装中的波纹膜片结构研究

王俊杰，秦会斌（杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，杭州 310018）

压力传感器封装中的波纹膜片结构研究

王俊杰，秦会斌
（杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，杭州 310018）

摘 要：针对压力传感器隔离式封装中的波纹膜片这一关键部件，采用有限元分析的方法研究了波纹膜片的厚度、波纹深度和波纹数目分别对最大压力约0.1 MPa下的压力传感器输出信号的影响，优化了波纹膜片结构的参数选择。通过对封装了不同波纹膜片的样品的测试与比较表明，较小的膜厚与波纹深度、较多的波纹数目有助于提高压力传感器的性能，从而验证了波纹膜片结构优化的正确性。

关键词：压力传感器；封装；波纹膜片；有限元分析

1　引言

当前，扩散硅压力传感器由于其高灵敏度、良好的线性度和高可靠性等优点被广泛应用于如航空航天、深海探测和炸药爆破等领域中[1]。在这些领域中压力传感器经常需要工作在强酸或强碱环境里。为避免对芯片造成损坏，压力传感器的隔离式封装成为了研究重点。不锈钢波纹膜片由于其具有耐腐蚀的特性和优异的力学弹性性能，因此被用来隔离芯片与待测介质。不锈钢波纹膜片需要有耐腐蚀、弹性性能良好、能够无损传递压力且可以消除自身变形所产生的应力影响的特点。由于波纹膜片的理论分析极其复杂，因此本文使用有限元分析的方法优化波纹膜片的结构设计，并对实际样品进行测试，验证了其有效性。

2　波纹膜片的结构分析

2.1波纹膜片的材料和波形选择

波纹膜片的材料选择为316L型不锈钢。316L型不锈钢的弹性模量在2.0×1011Pa左右，线膨胀系数为1.08×10-5℃-1左右，相对其他金属而言较为适中[2]。波纹膜片的波形选择为正弦波形。正弦波形的膜片灵敏度高且不容易发生应力集中的现象[3]。

2.2波纹膜片的膜厚和波纹深度分析

隔离膜片的波纹外形参数主要包括工作半径、波纹深度、外形因子、膜厚、波距和波纹数[4～6]。外形因子值的大小代表了膜片的刚性程度，其大小与刚性程度成正比；工作半径的大小取决于工作空间的大小。膜片能够承受的最大应力与工作半径、膜片厚度、外形因子和膜片承受压力的关系可用式（1）表示[7]：

式（1）中：

其中σmax代表膜片能够承受的最大应力；a代表波纹膜片的工作半径，P代表波纹膜片的承受压力，h代表波纹膜片厚度，q代表波纹膜片外形因子。

波纹的深度可以通过式（3）确定[7]：

其中q代表波纹膜片外形因子，h代表波纹膜片厚度，H代表波纹深度。

理想状况下，波纹膜片受到外力后的形变产生的力传导给几乎难以被压缩的硅油，然后硅油将压力几乎无损地传递到压力芯片的表面上。这也就要求波纹膜片需要变形，但是波纹膜片的变形会使自身产生额外的应力。为了优化传感器的线性特性和灵敏特性，可以调整并选择合适的各个参数值。这里采用有限元分析方法分析了膜厚、波纹深度参数值的选择对性能的影响。进行有限元分析时，假定波纹膜片承受均匀分布的最大值为0.1 MPa的压力，工作半径为9.2 mm，试验采用的数据如表1所示。

表1　模型参数

不锈钢波纹膜片在ANSYS中的模型如图1所示。对模型施加载荷、边界约束和网格自由化后进行了有限元分析，分析云图如图2所示。

通过仿真计算得出膜厚值的变化对应的波纹膜片的压力-扰度曲线，如图3所示。此外，也得出了波纹深度值的变化对应的波纹膜片的压力-扰度曲线，如图4所示。

图1 不锈钢波纹膜片在ANSYS中的模型

图2 模拟结果

图3 不同膜厚的波纹膜片压力-扰度曲线

图4 不同波纹深度的波纹膜片压力-扰度曲线

从曲线图中分析可以得知，在图3中，膜厚为0.03 mm的波纹膜片相对于膜厚为0.05 mm和膜厚为0.07 mm的波纹膜片而言其中心扰度是最大的，此外它的线性误差最小。因此得出结论：如果膜厚越小则膜片灵敏度越高且线性度越好。

在图4中，波纹深度为0.3 mm的波纹膜片相对于波纹深度为0.4 mm和0.5 mm的波纹膜片而言其中心扰度最大，因此波纹深度越小其灵敏度越高。

2.3波纹膜片的波纹数目分析

波纹膜片的波纹数目对于膜片性能的影响是不可忽视。图5是3种不同波纹数目的膜片示意图。由于不锈钢波纹膜片的外形是中心对称的，所以研究时用了其四分之一的模型。波纹膜片在相同方向上的压力较小，研究时施加了最大为0.4 MPa的均匀分布压力。对模型进行固定和对称约束后利用ANSYS软件仿真得出2波纹、4波纹和6波纹的压力-扰度曲线如图6所示。

图5 3种不同波纹数目的膜片示意图

图6 3种波纹数目的波纹膜片中心压力-扰度曲线

根据对图6的分析得出，在同等条件下，6波纹数目的波纹膜片相对于2波纹和4波纹而言其中心位移最大且其线性特性也是最优的。因此，压力传感器的灵敏度与波纹数目有关，波纹数目越多则灵敏度越高。

3　封装后的性能测试与结果分析

为了验证上述分析的正确性，对封装了不同参数值的不锈钢波纹膜片的压力传感器样品进行了测试比较。图7与图8分别是带有不锈钢波纹膜片的压力传感器封装结构示意图与实物图。这里选择使用了相同工艺制造的两组波纹膜片封装的压力传感器来测试。第一组膜片厚度0.05 mm，4波纹数目；第二组膜片厚度0.03 mm，6波纹数目。实验在温度为25 ℃环境中，对压力传感器外加5 V直流电压和0～1.4 MPa的压力，记录输出信号的数据。之后去除隔离膜片与硅油重复上述步骤，记录输出信号的值。样品1与样品2使用了第一组膜片，样品3与样品4使用了第二组膜片。4个样品使用波纹膜片与不使用波纹膜片对压力传感器输出信号的影响如表2所示。从表2中可以发现，相对于样品1与样品2来说，样品3与样品4的输出变化很稳定，且数值较小。这说明使用厚度小、波纹数目多的膜片进行封装，对压力传感器的影响小。

图7 封装结构示意图

图8 封装结构实物图

表2 膜片对压力传感器输出信号的影响

Research on Structure of Corrugated Diaphragm in Pressure Sensor Packaging

WANG Junjie, QIN Huibin
（Institute of Electronic Device and Application, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China）

Abstract:Corrugated diaphragm is one of the most important isolated packaging parts for pressure sensor. The impacts of thickness, depth and number of corrugation of corrugated diaphragm on output signal of pressure sensor with the maximum pressure value of approximately 0.1 MPa are researched by finite element analysis. Structure parameters of corrugated diaphragm are optimized. Corrugated diaphragm structure optimization is verified by results of testing and comparing samples using different corrugated diaphragms. The results showed, performances of pressure sensor can be improved by smaller thickness and corrugation depth, more number of corrugations.

Key words:pressure sensor; packaging; corrugated diaphragm; finite element analysis

中图分类号：TP212.1

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2015）05-0001-03

收稿日期：2015-01-22