油位传感器厚膜电阻板常见故障探讨

作者:  来源:中国电子商情

发布时间:2015-04-22

在汽车和摩托车（女装踏板车）的油箱中，装有用于检测油位状态的油位传感器，该油位传感器的核心部件是采用厚膜混合集成电路生产工艺制作的厚膜电阻板。本文介绍了该厚膜电阻板在使用过程中常见的故障问题，原因分析，以及解决方案探讨。
汽车、摩托车油位传感器总成中的核心部件，是一种采用厚膜混合集成电路工艺生产加工而成的特殊应用厚膜电路。其基材是96%的AL2O3陶瓷基板，所使用的电子浆料按印刷层次顺序，分别为Ag/Pd导体浆料、Ru系电阻浆料和铅硼硅体系的玻璃保护浆料。经丝网印刷和高温烧结后，该类厚膜电阻板具有耐磨性能好、抗有机溶剂腐蚀能力强、产品阻值精度高、装配简易等优点。相对于油位传感器行业中的其它核心部件，比如，电磁舌簧管（或称干簧管）型油位传感器的高成本、PCB型油位传感器的低耐磨寿命，厚膜电阻板型油位传感器具有相当明显的性价比优势，是目前汽车、摩托车油位传感器的主流品种。但由于油位传感器特殊的应用环境，使得厚膜电阻板中的Ag、Pd金属，在长期使用过程中，会受到腐蚀性物质的破坏而影响传感器的工作性能。
下面摘录了我们在工作过程中遇到的两个国内外典型故障案例、原因分析，以及解决方法的思考。
故障案例一：有国内轿车用户反馈，一款新车在销售后的第二天，行驶里程不足1000公里，该轿车的油表指示不准确，油箱加满油后，油表指针只指示在
3/4位置。对三包不良品剖析后，在200倍的电镜下观察，可以清晰地看到该油位传感器不良品的厚膜电阻板，其滑动导体、焊盘、电阻体都被严重腐蚀。图1是不良品和正常产品的外观对比图：
 
图1 油位传感器不良品和正常产品的外观对比

不良品电镜图                                                 正常品电镜图
 
从不良品的被腐蚀程度来看，该不良品应该是受到强腐蚀物质的腐蚀，这些腐蚀物质可能来自于劣质汽油中的硫化物，或者是油位传感器总成的另外一个部件---浮球中的单质硫。
表1是采用X射线荧光光谱分析仪器（简称XRF）对不良品、正常成品、浸泡过97#汽油后的正常成品进行物质成份分析。
 
表1 油位传感器表面物质成分分析报告

 
从分析报告可以看出,1#不良品的物质成份中除了正常产品所含有的物质成份外还含有SO3、CL、P2O3、Br这几种腐蚀性很强的物质成份,而2#和3#样品则不含有以上腐蚀性物质成份.
据此基本上可以得出结论:造成厚膜电阻板的电极线和电阻体发黑的原因，应该是被P、S、CL腐蚀所至。而P、S、CL可能是来自于汽油（即汽油被污染）或者来自于油箱或燃油泵的其它部件（包括油位传感器的浮球）
由于该不良品是销售后的第二天即发现油表显示不准确，假设用户用的是劣质汽油，那么该厚膜电阻板被腐蚀的时间不足24小时。该型号厚膜电阻板在出厂前是经过严格的抗硫化工艺特殊处理过的，而且汽油中硫的含量毕竟是有限的，在这么短的时间内厚膜电阻板不会被腐蚀达到这种严重程度。因此，我们认为该厚膜电阻板应该是在用户使用之前（也就是整车销售之前）就被腐蚀的。也就是说，对该厚膜电阻板造成腐蚀的应该是油位传感器总成的浮球。
在这里，有必要对目前汽车、摩托车油位传感器总成中所用的浮球作个介绍。
在乙醇汽油、甲醇汽车等环保复合汽油推广使用之前，汽车和摩托车的油位传感器所用的浮球一般都是以聚胺脂为原材料。但在国内外开始推广使用乙醇汽油后，聚胺脂型浮球由于在乙醇汽油、甲醇汽油中容易被腐蚀，行业内开始寻找聚胺脂的替代材料。丁腈橡胶除了具有优异的耐油性之外,还具有耐老化、耐磨耗、低透气和凝聚力高等特点，故被用来代替聚胺脂作为油箱传感器的浮球。但丁腈橡胶在生产过程中，由于需要添加硫化剂作为添加剂，该硫化剂含有单质硫保留在丁腈橡胶的表面，对油位传感器的含银、含钯零部件产生腐蚀性破坏。从表2丁腈橡胶浮球和聚胺脂浮球的物质成份分析表可以清楚的看到丁腈橡胶中的硫。
表2 丁腈橡胶浮球和聚胺脂浮球的物质成分分析表

为了降低丁腈橡胶浮球中的硫对这些银钯材料的腐蚀作用，需将刚生产出来的丁腈橡胶浮球暴露在空气中放置两个月以上（或者为了加快硫的挥发速度，也可在60℃的温箱中加速挥发），使得浮球中的硫挥发掉，减少对银钯的腐蚀。
浮球表面的单质硫是否挥发干净，可用以下简易的试验方法进行检测：
待试验样品：
（1）厚膜电阻板、经放置处理过的丁腈橡胶浮球
（2）厚膜电阻板、未经放置处理过的丁腈橡胶浮球（或者将经放置处理过的丁腈橡胶浮球从中间切开两半）
试验过程如下：
将以上两种样品分别放置在密封的容器中放置72小时后，观察厚膜电阻板的滑动电极线的外观。
一般情况下，经72小时放置后可以看到以下结果：与未做放置处理的丁腈橡胶浮球（或经放置处理过的丁腈橡胶浮球从中间切开）放在一起的厚膜电阻板，其滑动电极线被腐蚀成蓝黑色。而与已做放置处理的丁腈橡胶浮球放在一起的厚膜电阻板，其滑动电极基本上不会被腐蚀变色，或者只是稍稍变黄。
   将未经放置处理的丁腈橡胶浮球和正常厚膜电阻板在密封容器中放置一周时间后，厚膜电阻板的导体、电阻体表面被腐蚀为黑色，与本文开头该轿车用户所反馈的不良品情况非常相象。
从以上分析和试验可以推断，丁腈橡胶浮球中的硫是造成该厚膜电阻板电极线和电阻体被腐蚀的罪魁祸首。
腐蚀案例二：
印度市场的摩托车用户反馈：用户的摩托车使用约一年后，油位传感器的厚膜电阻板电极表面发生变黑现象。
对该不良品解剖分析发现，该不良品的电极表面发黑色，与第一个案例的腐蚀发黑现象有所区别,具体表现为：1、该不良品只是电极表面部位发黑，而且集中在电刷和电极接触滑动工作频繁的那部分电极线和电刷上；2、第一个案例中的发黑类似于被烧焦的现象，而该不良品的发黑则类似于电器开关触点打火积碳。
为了详细分析不良品与电刷上的黑色物质的成份，了解黑色物质产生的原因，我们对不良品和TFR及其电刷、正常TFR产品进行SEM微量元素定性/半定量能谱分析。分析结果如表3：
表3 摩托车油位传感器厚膜电阻板电极表面物质成分分析报告

从能谱分析报告可以看出，不良品的TFR和电刷的物质含量中，除了正常TFR产品应该含有的金属成份外,还存在较高比例的碳元素成份，而没有使用的正常TFR产品中不存在该碳元素。
根据以上分析可以推断,该不良品TFR电极上的黑色物质是碳元素，而该碳元素的产生是由于电刷与TFR电极在长期带电磨擦过程中产生的打火现象,将碳电刷或汽油中的碳元素通过电离、溅射、沉积等复杂过程积聚到电极线和电刷上，继而影响产品电刷与TFR电极的接触，从而导致油位传感器输出失效。
金属材料在带电磨擦过程中会有打火现象，这是常见的现象。在油位传感器中，电刷与TFR电极线带电接触磨擦时亦会存在该现象，只是该打火现象相对较为微弱。尤其在油箱液位较满时，油位传感器浸泡在汽油中，电刷和TFR电极的磨擦属于“湿磨”状态，打火及其所造成的积碳机会较少。但以下几种情况会使得电刷与TFR电极处于“干磨”状态，增加打火及积碳的机会：
1、用户经常在油箱油位很低时用车。据印度客户反馈，印度客户一般每次加油只加到油箱的一半左右，油位传感器的电刷与TFR电极在1/2以下区域长期处于干磨状态。
2、油位传感器安装的设计位置较高。目前摩托车的油位传感器一般安装在油箱的顶部,当油位稍为下降后，油位传感器的电刷与TFR电极就处于干磨状态。
3、电刷材料接触性能不好，尤其是目前仍有部分油位传感器厂家还是使用含碳的电刷，增长了积碳的机会。
在国内，油位传感器电刷材料的使用经过了以下几个阶段：银镉材料       锌白铜材料     磷青铜材料      铍青铜材料。
值得说明的是，由于铍青铜具有弹性极限高、弹力稳定、导电性好、良好的耐磨性及综合机械性能（耐磨性是磷青铜的七倍）、耐疲劳、耐高温、抗腐蚀性强、磨擦时不发生为火花等优点，使得铍青铜广泛应用于电刷触点等弹性元件场合。目前国内普遍使用铍青铜作为油位传感器的电刷材料。
对我们收集到的国内外车用油位传感器用户的各种问题进行归类总结可以看出，目前油位传感器的TFR电极发黑集中表现为上述案例中的两种故障类型：一是TFR的电极被腐蚀性物质所腐蚀发黑；二是TFR电极与电刷长期带电接触磨擦过程中，将电刷或汽油中的碳积聚到TFR的电极上，产生的积碳发黑。对TFR的这两种故障类型产生的原因及解决方案总结如表4：
表4 TFR故障类型产生的原因及解决方案