耐高温微型压力传感器设计

1　传感器结构简介

    新设计的A03号耐高温压力传感器采用梁膜结合的压力传递机构,可以解决瞬时2 000℃高温冲击,总体结构设计见图1。耐高温微型传感器工作时,高温压力流体作用于压力柱膜片,并使压力柱膜片在传感器的轴向发生变形,压力传递杆将此 变形传递给悬臂梁,并使悬臂梁发生应变,贴在悬臂梁上的SOI硅应变片即可测出与应变成正比的压力信号。压力柱膜片同时对高温压力流体起到隔绝的作用,从 而解决了瞬时高温冲击的问题。通过改变压力柱膜片厚度与悬臂梁的结构参数可以做出不同量程的压力传感器。

2　传感器梁膜结构设计

    悬臂梁主要与SOI硅应变片元件结合,材料选择主要应考虑与敏感元件之间的热匹配问题,以消除内应力的影响。其宽度的确定主要考虑硅应变片的尺寸。已知制 作的SOI硅应变片尺寸为1.8 mm×1.8 mm,所以取梁的宽度bx=3 mm。SOI硅芯片通过玻璃粉烧结或静电键合技术与悬臂梁结合在一起。

    设计的梁膜结构如图2所示。膜片的变形传递给悬臂梁,使悬臂梁发生变形,贴在悬臂梁上的硅应变芯片就能检测出压力的大小。

    悬臂梁的长、高、宽分别用L_X、h_X、b_X表 示;平膜的半径和厚度分别用RP和hP表示。悬臂梁和圆形平膜片弹性材料采用17-4PH,其性能参数为,σ0·2=1 275MPa,σb=1 373 MPa,δ(延伸率)=14%,E(弹性模量)≈196 GPa,υ(泊松比)=0·272,密度为7 820 kg/m³。

    根据模型结构,当压力作用在圆形平膜片的下部时,认为圆形平膜片承受集中载荷P和均布载荷q0的共同作用,并且悬臂梁承受集中载荷的作用。由此可得圆形平膜片的约束条件[1]为公式(1),式中[σ]为许用弯曲应力。

    为了保证传感器的测量精度、线性度及过载保护等,通常要求敏感元件检测到的应力或应变不超过其应变极限的三分之一,即最大应变不超过1 000με(即1 000个微应变),大小为1 000×10-6。另外,为了保证传感器不被破坏,要求其弹性元件梁和膜的最大应力小于许用应力,由此可得悬臂梁的约束条件为

    根据该传感器的工作原理,圆形平膜片中心处的扰度应该等于悬臂梁自由端的扰度,即

从而求得圆形平膜片的限制条件为

    由于传感器的结构采用激光焊接在一起,所以必须校核焊缝的强度,由焊缝的强度校核所得到的许用压力p确定了传感器的量程不能超过此值。由式(3)、(4)整理得

    由式(5)确定圆形平膜片的半径、圆形平膜片厚度和悬臂梁的厚度。传感器量程范围也随之确定。由此,理论上可以做出各种量程的梁膜结合式传感器。