基于PGA900的薄膜微壓傳感器研究

作者簡(jiǎn)介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調理電路設計、測試測量、信號采集與處理。

王剛（1986—），男，工程師，主要研究方向：光學(xué)薄膜加工及應用研究。

微壓傳感器是一種壓力傳感器，可測量微小壓力，廣泛應用于工業(yè)控制、石油管道、水利水電、航空航天等行業(yè)^[1-2]。傳統的微壓傳感器基于硅壓阻式測量原理，存在溫度特性差的缺點(diǎn)^[3]。本文基于濺射薄膜式測壓原理^[4]，選擇PGA900 信號調理器，充分發(fā)揮薄膜傳感器技術(shù)優(yōu)勢，研制出薄膜微壓傳感器，并對傳感器的性能進(jìn)行了考核驗證。

1   薄膜微壓測量原理及技術(shù)優(yōu)勢

薄膜微壓傳感器采用應變式測壓原理，如圖1 所示，傳感器的敏感元件由基底、絕緣膜、合金膜、保護膜組成^[5]?；卓蓚鬟f并感應外界壓力，將壓力量轉換為應變量。絕緣膜、合金膜和保護膜依次從下往上鍍制在基底材料上，絕緣膜為SiO₂材料，具有良好的絕緣特性，用于隔離基底和合金膜。合金膜為金屬材料，通過(guò)離子測控濺射技術(shù)鍍制成特定的應變絲柵圖形，如圖2 所示。應變絲柵由2 個(gè)主柵電阻和2 個(gè)輔柵電阻組成，形成1個(gè)惠斯通電橋?；椎膽儌鬟f至合金膜后，應變絲柵會(huì )產(chǎn)生變形，從而引起惠斯通電橋輸出發(fā)生改變。電橋的輸出電壓變化與外界壓力變化存在比例關(guān)系，通過(guò)測量電橋電壓便可實(shí)現對壓力的測量。保護膜位于合金膜上表面，材料為SiO₂，對合金膜起到保護作用。

圖1 敏感元件膜層示意圖

圖2 敏感芯體絲柵示意圖

傳統微壓傳感器基于硅壓阻原理，通過(guò)半導體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4 個(gè)感壓電阻，由電阻組成惠斯通電橋。當承受壓力時(shí)，電阻的電阻率發(fā)生變化，引起電阻值變化，電橋失去平衡產(chǎn)生電壓信號。電橋電路原理如圖2 所示，輸出信號滿(mǎn)足公式1 關(guān)系。由于半導體材料的溫度特性不穩定，當溫度變化時(shí)電橋電阻會(huì )發(fā)生變化，傳感器的輸出會(huì )發(fā)生較大漂移，所以硅壓阻微壓傳感器的溫度特性較差。

圖2 惠斯通電橋電路原理圖

與硅壓阻原理不同，薄膜微壓傳感器為應變式原理，外界壓力引起合金膜的應變絲柵發(fā)生應變，其中主柵電阻被拉伸產(chǎn)生正向應變，阻值增大；輔柵電阻被壓縮產(chǎn)生負向應變，阻值減小。電橋失去平衡，輸出差分電壓信號。薄膜微壓傳感器的應變絲柵電阻為金屬材料，電阻的電阻率穩定，不會(huì )隨溫度發(fā)生變化。絲柵是通過(guò)離子磁控濺射工藝將同種靶材材料原子濺射沉積而成的，鍍制結束后再經(jīng)過(guò)激光調阻技術(shù)對絲柵電阻進(jìn)行精密調整。鍍制的絲柵電阻材料均勻，不含雜質(zhì)，溫度特性一致。如2 所示，在敏感芯體的非應變區域濺射鍍制溫度補償絲柵，可用來(lái)補償傳感器的溫度靈敏度漂移，所以薄膜微壓傳感器具有良好的溫度特性。

但是，由于薄膜微壓傳感器的應變絲柵為金屬材質(zhì)，材料彈性模量較大，外界壓力引起的應變量很小，所以傳感器的輸出靈敏度較低。為提高傳感器輸出信號質(zhì)量，需要采取措施提高輸出靈敏度。

2   薄膜微壓傳感器設計

2.1 敏感芯體結構設計

常規的濺射薄膜敏感芯體結構如圖3 所示，外形呈“禮帽”狀，上端面密封，下端面內部開(kāi)有深槽^[6]。上端面用于感受外界壓力，外徑為12 mm。當壓力變化時(shí)上端面會(huì )產(chǎn)生相對應變，應變會(huì )引起鍍制的絲柵電阻變形，電橋輸出對應電壓信號。

圖3 常規薄膜芯體結構圖

由于微壓傳感器的量程很小，而敏感芯體為金屬材質(zhì)，通常彈性模量較大。相同壓力條件下，芯體的應變量與芯體上端面厚度成反比。而芯體的輸出靈敏度則與芯體的應變量成正比。要提高芯體的輸出靈敏度就必須進(jìn)一步減小上端面厚度，這給芯體加工帶來(lái)了很大的難度。

研究中對敏感芯體的結構進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4 所示，改進(jìn)后的敏感芯體為內腔帶硬質(zhì)芯式結構，即芯體的感壓內腔帶有一塊硬質(zhì)芯，整個(gè)芯體上表面為Φ18 mm，硬質(zhì)芯直徑為Φ7 mm。當壓力作用于芯體內腔，由于硬質(zhì)芯的存在，應變變形集中分布到內腔上表面硬質(zhì)芯外圍區域。與常規結構相比，相同壓力產(chǎn)生的應變量增大，敏感芯體的輸出靈敏度顯著(zhù)提高。

圖4 硬質(zhì)芯薄膜芯體結構圖

2.2 密封組件結構設計

圖4 密封組件結構圖

微壓傳感器的量程小，通常要求具有絕壓測量能力。而傳統的濺射薄膜壓力傳感器由于敏感芯體暴露在外，只能測量表壓壓力而不能測量絕壓壓力。研究中設計了密封組件結構，用于密封敏感芯體上表面，為敏感芯體提供真空環(huán)境，從而實(shí)現絕對壓力的測量。

密封組件由密封殼體、金屬插針和堵蓋組成，金屬插針通過(guò)玻璃燒結工藝密封燒結在密封殼體上，在真空條件下將密封殼體焊接在壓力接口座上，并將堵蓋焊接在密封殼體頂部，可以為敏感芯體提供一個(gè)真空環(huán)境，實(shí)現對絕對壓力的測量。

轉接電路板位于密封結構內部，焊接固定在金屬插針上，并與薄膜芯體上表面保持水平，采用金絲焊接技術(shù)焊接薄膜芯體焊盤(pán)和轉接電路板焊盤(pán)，可將芯體信號引出至外部電路，實(shí)現信號轉接。

2.3 硬件電路設計

薄膜微壓傳感器使用PGA900 進(jìn)行信號調理，該芯片是一款面向電阻式傳感器的信號調理器，具有數字和模擬輸出的可編程傳感器信號調理功能。PGA900 具有2 路模擬信號輸入，分別為1 路壓力信號和1 路溫度信號，可對2 路信號實(shí)現采集、放大和調理，采集精度每路為24 位，壓力信號的放大倍數最大為400 倍，溫度信號的放大倍數最大為20 倍。憑借片上ARM CortexM0 處理器實(shí)現溫度補償、線(xiàn)性化等校準算法。PGA900帶有1 路可編程增益放大器的14 位DAC 模擬輸出。具備SPI、I²C、通用異步收發(fā)器（UART）和2 個(gè)通用輸入輸出（GPIO）端口訪(fǎng)問(wèn)數據和配置寄存器。同時(shí)還保留1 個(gè)單線(xiàn)接口OWI，支持通過(guò)電源引腳進(jìn)行單線(xiàn)通信和配置，無(wú)需使用額外線(xiàn)路。片內內置溫度傳感器，采集溫度范圍為-40～150 ℃。PGA900 傳感器靈敏度可調節范圍為1～135 mV/V，內部有1 kB 數據的SRAM、128字節的EEPROM 和8 kB 的軟件存儲器。內部框圖如圖5 所示。

圖5 PGA900組成框圖

濺射薄膜敏感芯體的輸出靈敏度在PGA900 的信號調節范圍內，敏感芯體連接至VBRGP、VINPP、VINPN、VBRGN，使用片內溫度傳感器采集環(huán)境溫度。PGA900 可實(shí)現對敏感芯體的信號放大、輸出校準和溫度補償。PGA900 的最高工作溫度可達150 ℃，還可用于制作耐高溫型薄膜微壓傳感器?；赑GA900 的薄膜微壓傳感器信號調理電路如圖6 所示。

圖6 基于PGA900的信號調理電路原理圖

信號調理電路由穩壓芯片MIC5233-5 和信號調理器PGA900 組成，其中穩壓芯片將外部電壓穩定至5 V 為PGA900 供電，PGA900 對電壓進(jìn)一步濾波處理后為薄膜芯體供電。薄膜芯體輸出的毫伏級信號進(jìn)入PGA900，由PGA900 內部集成的可調增益儀表放大器對信號進(jìn)行放大處理，放大后的信號由24 位AD 轉換器轉換為數字量。通過(guò)上位機軟件控制PGA900 內部的ARM 處理器對數字量進(jìn)行非線(xiàn)性修正、端點(diǎn)標定和歸一化處理，經(jīng)調理后的數字量由14 位DA 轉換器轉換為標準電壓信號輸出。

2.4 傳感器校準

使用上位機軟件通過(guò)串口可以操作PGA900 內部的ARM 處理器，可控制A/D 采集、校準參數計算、EEPROM 下載和D/A 輸出等過(guò)程。軟件可以利用校準算法對采集到的傳感器數據進(jìn)行端點(diǎn)校正和線(xiàn)性化修正^[7]。校準后的參數可以存入片內EEPROM，防止數據丟失。校準完成后，PGA900 上電讀取參數，輸出正確電壓值。

3   試驗測試及數據分析

使用氣介質(zhì)標定系統對校準成功的微壓傳感器進(jìn)行性能測試。氣介質(zhì)壓力計量程為0 ～ 0.7 MPa、精度0.02%，傳感器供電電壓為15±1 V。將已放置在規定試驗環(huán)境下至少1 h 的待測傳感器以規定的安裝力矩安裝在壓力源上，并通以額定的激勵電源，預熱15 min后開(kāi)始測試。

從量程下限加載到量程上限的壓力，觀(guān)察裝置的氣密情況，檢查測試儀器和電源電壓，根據量程范圍，給傳感器施加3 次滿(mǎn)量程預壓。根據滿(mǎn)量程確定均勻分布的檢定級（不少于5級）。按檢定級逐點(diǎn)進(jìn)行正、反3 個(gè)壓力循環(huán)。根據這3 個(gè)循環(huán)的測試數據， 按標準QJ28A計算出靜態(tài)特性指標。傳感器的輸出特性方程為 Y = a + bX（式中：X 為校準壓力值；Y 為對應于各校準壓力值的電壓輸出值；a 為特性方程的截距；b 為特性方程的斜率。）

在常溫（20 ℃）、高溫（60 ℃）、低溫（-40 ℃）3種狀態(tài)下分別對傳感器進(jìn)行靜態(tài)性能標定，得出特性方程。分別計算3 種狀態(tài)下的遲滯、重復、非線(xiàn)性，取3 個(gè)溫度點(diǎn)最大測量精度作為該傳感器的全溫區綜合測量精度。經(jīng)測試傳感器的最大綜合誤差小于0.2%FS（如表1）。

表1 薄膜微壓傳感器性能測試數據表

4   結束語(yǔ)

基于PGA900 的薄膜微壓傳感器充分發(fā)揮了濺射薄膜傳感器性能穩定、穩定特性好的優(yōu)勢，利用PGA900內部集成的ARM 處理器對傳感器進(jìn)行了輸出校準和非線(xiàn)性修正。經(jīng)過(guò)校準后的傳感器性能指標達到了較高水平，同時(shí)設計的密封組件可以為薄膜芯體提供真空環(huán)境，實(shí)現絕對壓力的測量。

參考文獻：

[1]陳倫瓊,卓戎,鄒錦華,等.一種微壓傳感器的應用研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2010(6):90-91.

[2]邱峰,季霞.硅微超微壓傳感器設計[J].機械設計與制造,2007(10):93-95.

[3]章建文,徐留根,全建龍,等.硅壓阻壓力芯體恒壓激勵輸出特性與溫度補償研究[J].測控技術(shù), 2017,36(5):104-107.

[4]蔣傳生.磁控濺射薄膜壓力傳感器的研制[D].南京:南京航空航天大學(xué),2015.

[5]蔣傳生,章愷,等.濺射薄膜壓力傳感器敏感元件的制作工藝研究[J].機械制造與自動(dòng)化,2016(4):37-39.

[6]王洪業(yè),安志超.離子束濺射薄膜壓力傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報,1993(2):48-51.

[7]陳偉龍.壓力傳感器的數據采集和現場(chǎng)校準系統設計[J].工藝與設備,2019(28):185-186.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）