全密封称重传感器制作技术和考核试验
传力电子衡器（南京）有限公司 梁昌锐 唐雅丽 端伟 刘彩虹 包燕芝 2007-7-20
[摘要] 本文介绍了我们公司专利产品全密封称重传感器的制作技术，特别是在电缆线引入部位的可伐芯柱的结构特点及对材料的性能要求。还介绍了全密封L/C的检漏技术，解释了对检漏常见的误区，还对这种L/C的考核试验的情况做了简要的说明。
[关键词] 全密封L/C 激光焊接 氩弧焊接 可伐芯柱 加压粗检漏 氦质谱检漏仪 PCT试验
[Key words]: Welding sealed load cell Laser welding Argon arc welding Kovar column Pressure gross leakage hunting Helium leak tester Pressure cooker Test
前 言
称重传感器有很多种类型，例如悬臂梁式、柱式、桥式和S型等等，但就密封形式而言，通常又可分成胶封类和气密焊接型两大类。可靠性和防护等级要求不太高的可以用胶封，而可靠性和防护等级要求很高的还是要用气密性焊接类型的。我在文章[1]和[2]中已经介绍过了用PCT方法快速比较传感器防护胶性能的问题，本文主要介绍全密封传感器的制作技术和考核试验的情况。
一、需要密封的几个接口
现以悬臂梁式传感器为例来分析问题
1、弹性体主要应变部位与应变片的密封
这部分是L/C最敏感的部位，它的密封要求最严，通常要求用氩弧焊或激光焊接，并且内部要求充以氮气等惰性气体，为了防止密封焊盖时L/C参数的影响，（特别是对滞后的影响）通常不能用平盖板，特别是对于小量程的L/C要使用打凹形的盖板，尽可能使封焊后的盖板对弹性体的形变参数影响最小。
2、传感器内部连线窗的密封
因为在传感器内部，这部分和贴应变片的部位是连通的，所以密封要求和上述要求相同，，但因为它没有应变敏感区，所以可以用平盖封焊，这不会影响L/C的参数。
3、电缆线引入传感器内部接口处的密封
① 传统的密封方法
现在多数厂家都是用各种胶或环氧树脂密封的，大家忽略了一个重要的问题，即电缆线和应变计在L/C内部是连通的，这部分如果是用胶封的，那就相当于应变计部位也是用胶密封的，因为周围环境中的潮气水气会从胶封处漏到L/C内部，而L/C内部水气也是可以连通的，所以这个接口处也应该采用气密封接。
② 我们专利的密封方法
我们设计了一个可伐合金芯柱，芯柱中间打了四个孔，再用已烧好玻璃珠的可伐合金丝穿过其中，再将玻璃珠烧熔在可伐芯柱中。这样每根可伐丝之间都是通过玻璃珠绝缘的，又通过玻璃珠把它们和芯柱融封成了一个整体，因为玻璃的密封性能非常好，属于良好的气密封接材料，再把可伐芯柱用氩弧焊或激光焊和不锈钢弹性体焊接密封起来，这样的L/C就属于全密封型的称重传感器。采用可伐合金丝的作用事因为它的热膨胀系数和玻璃的热膨胀系数相匹配（4.8~4.9*10-6℃），当温度改变热胀冷缩时作为绝缘材料的玻璃不会开裂而漏气。见图一，可参阅[3]
二、相应的检漏技术
1、加压粗检法
人们都习惯于说气密封装的产品漏或者不漏，严格来说，所有的气密封装产品都是由“漏孔”的，只不过“漏孔”有大有小，漏孔大的其漏气速率就大，漏孔小的，其漏气速率就小。由于检查大漏率和小漏率的手段和方法不同，通常分成粗检楼（漏率≥5Pa.cm3 /S）和细检漏（漏率≤5Pa.cm3 /S）两大部分。
现在把检漏的单位说明一下，让大家有一个具体的概念。
1 Pa.cm3 /S=（0.99*10-5atm）cm3 /S≈10-5atm .cm3 /S，这个漏孔表明当密封器件内外存在1个大气压差时，会漏入密封器件空腔内部10-5cm3的某种气体。
加压粗检漏的做法通常是将待测的器件或传感器浸没于低沸点（47.6℃）的F-113溶液中，再用氮气加压到3~5*105Pa，并保持1~2H，再将容器放大气，取出L/C待表面的F-113挥发后就可以加热到125℃的高沸点（170℃~180℃）的F-43全氟三丁胺溶液中，如果L/C的焊接部位有漏孔，则加压时F-113就会被压到L/C的空腔内部，而当它放入到125℃高温的F-43中时，F-113就会气化并从漏孔中冒泡逸出。因此，如果能观察到全密封L/C的焊缝处有连续的小气泡冒出来就说明该处有漏孔，反之就说明该处焊缝“不漏”，实际上是指在一定的粗检漏范围不漏，并不是指绝对不漏。对于太大的漏孔，当L/C从压力容器中取出等待看冒泡时，被压入的F-113已全部挥发掉（这种情况的概率极少）因而看不到冒泡；而当漏孔太小时，加压压进去的F-113太少，冒出的气泡太少或太小即使用放大镜也看不出来。所以，对于微小的漏孔我们就要采用细检漏的方法来检，通常是采用氦质谱的方法来检漏。
2、氦质谱仪细检漏
① 先将待测器件放入压力罐中用氦气加压到2*105Pa左右的压力并保持1-2H。
② 将器件用压缩空气吹去表面吸附的氦气，等待进行检漏。
③ 将已压入氦气的器件放入氦质谱仪的真空室并盖严，然后对真空室抽真空。抽到一定的真空度后系统会自动通过阀门和管道把它连通到电离质谱室进行检漏。
④ 电离室中有热电子发射电子，它在电场作用下会加速并使从真空室扩散过来的气体分子电离，正离子在电场作用下也会加速，最后以一定的速度冲出电离室进入质谱室。
⑤ 质谱室内具有很强的横向磁场，运动的带电粒子在磁场罗仑兹力的作用下会不断的偏转而作圆周运动。这个圆运动的半径和磁场强度及加速带电粒子的点位差有关，这两项参数固定以后就只取决于带电粒子的荷质比，我们预先计算设计好了从带电粒子进入质谱室的入口处到旋转半圈以后放在2R距离处的收集电极，使它只能收集到氦离子而形成电流，而对于荷质比和它不同的正离子就会转到比它更大距离或更小距离的挡板上不形成电流。
由上述分析可以知道，它当放置待测器件的真空室内有从器件漏孔中漏出的氦气时，氦质谱仪中就会有电流产生。如果待测器件密封都很好，没有氦气分子从漏孔中漏出，质谱仪中收集不到氦离子电流，或者说收集到的氦离子流太小，我们就可以说器件不漏或漏率很小；反之，如果待测器件的镂孔较大，原先从氦气加压时压进去的氦气漏到真空室内的氦分子就较多，因而收集到的氦离子流也较大。通过上述分析可以知道，在一定的范围内，氦离子流和器件的漏率或线形关系，市场有各种大小漏率的标准漏孔出售，我们选购一个相应的标准漏孔安到系统中侧它的电流大小，就可以把氦质谱仪的检测电流和器件漏孔的漏气速率挂起钩来。在进行检测时就可根据检测电流小于某一数值二判定器件的镂孔漏率小于某个允许的数值，因而判定器件的细检漏合格。
3、对检漏常见的误区
① 用激光焊接，氩弧焊焊接获焊料焊接的密封性相当好，不需要进行检测。
我们实际做过试验，在加压检漏有小气泡逸出的焊缝处做好记号再用肉眼、放大镜和显微镜观察，有些大的漏孔可以用肉眼或显微镜观察到，有些小漏孔用显微镜也观察不出来，但它确实是漏的，这说明加压粗检漏的灵敏度比目视检验的灵敏度更高。
② “用氦质谱仪都检查过了不漏这个器件就不漏了”
尽管各个厂家生产的氦质谱仪灵敏度各不相同，但它们都有一个共同的特点，就是对于大的漏孔检测不出来。因为有大漏孔的器件在氦加压时会有氦气压进去，但当它取出来等待检测时氦气又可从大漏孔中逸出，也可能在放入真空室抽真空时残余的氦气都被抽走了，等到真空度达到要求并连通到氦质谱室时残余的氦气太少了以致检验不出来。
我曾将对各种大、中、小漏孔的器件研究过粗细检漏之间的匹配问题。只有经过粗细检漏都合格的器件才能通过各种严酷的可靠性试验，单纯细检漏合格的器件仍然达不到可靠性方面的要求。但是只要做过加压粗检漏不做细检漏的器件仍然具有一定的可靠性水平。根据对各种类型封装器件的可靠性试验情况，我们当时制定了一个规范，对于高可靠航天产品我们选用气密封装并要进行粗细检漏；对于一般的军用产品我们采用气密封装和加压粗检漏，特殊要求的另加细检漏；而对于民用产品通常采用成本要低的多的塑封器件。
三、一次可靠性试验实例
1、样品说明
不锈钢悬臂梁式传感器SBSB-5KSS ESH，应变部分用2个不锈钢凹盖用激光焊接，内部连线窗口用不锈钢平盖用激光焊接，电缆线接口部分采用可伐芯柱用氩弧焊焊结，空腔内部不上胶只充纯氮气。
2、检漏方法
用氮气加压，压力为4kgf/cm2，保持时间t=2h，浸没在125℃ FC-43中未观察到焊缝处有冒泡现象。
3、潮湿箱试验
把加压粗检漏合格的L/C放入26℃99%RH的潮湿箱中15天，每天记录绝缘电阻和L/C零点，把L/C从潮湿箱中取出放在25℃，40~60%RH的室内恢复0.5H后测试，要求绝缘电阻≥50KMΩ，零点变化总量≤±0.25mv/10v，潮湿试验合格。
4、PCT试验
把上述检漏合格的L/C放入压力锅中连续蒸10H，相当于T=121℃，P=2atm，取出恢复1H后零点和绝缘都合格。由于我们的PCT试验和加4atm压力检漏不漏，比10米水深试验要严很多，可以接受客户的要求进行一些严酷的可靠性考核试验。
参考文献：
[1] 李从芳 梁昌锐等 L/C的绝缘电阻和PCT防潮试验 《衡器》 2004.1 P35
[2] 唐雅丽 梁昌锐等 用PCT快速比较L/C防护材料的性能 《衡器》2004 增刊 P35
[3] 全密封称重传感器 梁昌锐 端伟 设计 ZL 2006 20072368.X 专利说明书
[4] 《集成电路封装》 王先春 梁昌锐等 编写 国防工业出版社 1996.5
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