小型共面接口壓差傳感器

　　金琦，李長春，楊 勇，劉宏偉，孫 克

　　(沈陽儀表科學(xué)研究院，沈陽 110043)

　　1 引言

　　小型共面接口壓差傳感器(以下簡稱壓差傳感器)體積小、安裝緊湊、精度高、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是敏感元件能夠適應(yīng)-55～300℃的工作環(huán)境，是測量和控制執(zhí)行器的油路壓力差的關(guān)鍵組件，通過擴(kuò)展量程、修改結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于其他的類似環(huán)境。

　　2 壓差傳感器工作原理

　　壓差傳感器的工作原理選擇擴(kuò)散硅壓阻工作機(jī)理。擴(kuò)散硅壓阻式(簡稱硅壓阻)壓力傳感器是壓阻式壓力傳感器中最成熟的技術(shù)，它利用擴(kuò)散硅電阻率的壓敏效應(yīng)，構(gòu)成惠斯登電橋的四個(gè)擴(kuò)散硅電阻，如圖1所示。

　　傳感器通過壓力接口感受被測介質(zhì)的壓力信號，并將其傳送給敏感芯片。芯片上的擴(kuò)散硅電阻感受到壓力作用后橋臂電阻發(fā)生相應(yīng)的變化，在激勵(lì)電源的作用下，傳感器電阻的變化也就轉(zhuǎn)變成了電信號的變化，設(shè)計(jì)專用的信號電路，將獨(dú)立的兩個(gè)壓力信號差值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號輸出，其原理如圖2所示。

　　3 敏感元件的選擇

　　本項(xiàng)目研制的壓差傳感器，要求敏感元件的工作溫度范圍為-55～300℃，是一種耐高溫的壓力傳感器。如果采用通常的單晶硅晶圓材料制作敏感芯片，壓差傳感器只能達(dá)到125℃的工作溫度，因此必須選用合適的耐高溫的硅晶圓材料。SIMOX材料是一種先進(jìn)的SOI材料，其制作的壓力敏感芯片是采用體電阻結(jié)構(gòu)，通過絕緣層實(shí)現(xiàn)電阻之間的電氣隔離，而不是pn結(jié)隔離，避免了在高溫環(huán)境下反向漏電的急劇增加，從而避免傳感器在高溫環(huán)境下失效。

　　綜上所述，確定本項(xiàng)目的硅晶圓材料采用SIMOX材料。

　　4 設(shè) 計(jì)

　　4.1 電路設(shè)計(jì)

　　壓差傳感器的信號輸出為模擬電壓輸出，電路的設(shè)計(jì)采用精密差動(dòng)放大器線性放大壓力敏感信號，將傳感器零點(diǎn)輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到標(biāo)稱值。原理框圖如圖3。

　　硅壓阻壓力傳感器信號調(diào)制電路的設(shè)計(jì)具有多重功能：

　　①為了改善溫度特性，信號電路與敏感器件溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)匹配組合，起到傳感器的熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移補(bǔ)償作用，傳感器的補(bǔ)償電路見圖4；

　?、诓捎镁?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/差動(dòng)放大器">差動(dòng)放大器線性放大壓力敏感信號(一般幾十毫伏／5 V激勵(lì))，將傳感器零點(diǎn)輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到項(xiàng)目規(guī)定的標(biāo)稱值的“歸一”功能；

　?、垡騻鞲衅鞯撵`敏度和非線性的離散性，差壓電路須分別先調(diào)制兩個(gè)敏感器件的輸出信號，再進(jìn)行差分放大，保證差壓傳感器的特征指標(biāo)，即對稱性指標(biāo)。

　　壓差傳感器的電路設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

　　4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　壓差傳感器的外形以項(xiàng)目要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)考慮到環(huán)境的適應(yīng)性，進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，特別是針對對稱性和高過載能力的要求(壓差傳感器極限過載要求應(yīng)能承受±75 MPa，3倍的額定壓力)，將壓差傳感器設(shè)計(jì)成雙芯體、全固態(tài)、對稱的結(jié)構(gòu)，利用雙敏感芯片分別測量正負(fù)壓腔的壓力，其中的芯體是指封裝好敏感芯片的傳感器件。雙芯體的設(shè)計(jì)正是考慮了測量大壓力的壓差信號，經(jīng)過嚴(yán)格的老練篩選和對稱性選擇后，進(jìn)行匹配，再裝配成敏感元件。壓差傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。

　　4.3 可靠性設(shè)計(jì)

　　首先，壓差傳感器的敏感芯片采用SIMOX結(jié)構(gòu)基片，增強(qiáng)了環(huán)境溫度的適應(yīng)性；結(jié)構(gòu)采用全固態(tài)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了傳感器的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

　　其次，在電路中采用精密儀表放大器和熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對傳感器的線性、溫度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。電路中各元器件盡量采用貼片封裝，不使用可動(dòng)電位器，電路板裝配后再經(jīng)過全溫區(qū)的檢測和應(yīng)力篩選，并經(jīng)過“三防”處理，電路板安裝固定采用灌封強(qiáng)化措施，具有抗振動(dòng)、抗沖擊和耐鹽霧、防霉的性能。

　　另外，在電路的設(shè)計(jì)中專門增加了EMC設(shè)計(jì)，傳感器外殼封裝實(shí)現(xiàn)無縫隙結(jié)構(gòu)，安裝孔間隙采用搭接方法處理，殼體內(nèi)置屏蔽箔片，電纜線屏蔽網(wǎng)與殼體連接，電路接地點(diǎn)共點(diǎn)連接方法的綜合使用，屏蔽對傳感器的電磁干擾；在電連接間使用適當(dāng)?shù)臑V波器件，降低電路的敏感度和濾除干擾。

　　5 結(jié) 論

　　該產(chǎn)品通過SOI壓力敏感芯片的制作技術(shù)、耐高溫敏感芯體的封裝技術(shù)、低漂移調(diào)制技術(shù)和雙芯體對稱技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，具有耐高寬溫區(qū)、小型化、抗高過載、抗高沖擊、低漂移、功能強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在采用SOI壓力敏感芯片、高溫復(fù)合電極的制作、耐高溫壓力敏感芯體的封裝技術(shù)、低漂移的調(diào)制技術(shù)、小型化對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面有所突破。

　　通過反復(fù)的試驗(yàn)證明，壓差傳感器在高溫的條件下可連續(xù)工作1000 h，傳感器的線性指標(biāo)可達(dá)到0.10％FS，遲滯、重復(fù)性達(dá)到0.03％FS，熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移均達(dá)到0.008％FS／℃以上。