小型共面接口壓差傳感器

　　金琦，李長(cháng)春，楊 勇，劉宏偉，孫 克

　　(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110043)

　　1 引言

　　小型共面接口壓差傳感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓差傳感器)體積小、安裝緊湊、精度高、可靠性高、環(huán)境適應性強，尤其是敏感元件能夠適應-55～300℃的工作環(huán)境，是測量和控制執行器的油路壓力差的關(guān)鍵組件，通過(guò)擴展量程、修改結構，可以應用于其他的類(lèi)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散硅壓阻工作機理。擴散硅壓阻式(簡(jiǎn)稱(chēng)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)，它利用擴散硅電阻率的壓敏效應，構成惠斯登電橋的四個(gè)擴散硅電阻，如圖1所示。

　　傳感器通過(guò)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。芯片上的擴散硅電阻感受到壓力作用后橋臂電阻發(fā)生相應的變化，在激勵電源的作用下，傳感器電阻的變化也就轉變成了電信號的變化，設計專(zhuān)用的信號電路，將獨立的兩個(gè)壓力信號差值轉換成標準的電信號輸出，其原理如圖2所示。

　　3 敏感元件的選擇

　　本項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構，通過(guò)絕緣層實(shí)現電阻之間的電氣隔離，而不是pn結隔離，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，確定本項目的硅晶圓材料采用SIMOX材料。

　　4 設 計

　　4.1 電路設計

　　壓差傳感器的信號輸出為模擬電壓輸出，電路的設計采用精密差動(dòng)放大器線(xiàn)性放大壓力敏感信號，將傳感器零點(diǎn)輸出值和滿(mǎn)量程輸出值調制到標稱(chēng)值。原理框圖如圖3。

　　硅壓阻壓力傳感器信號調制電路的設計具有多重功能：

　?、贋榱烁纳茰囟忍匦?，信號電路與敏感器件溫度補償網(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償作用，傳感器的補償電路見(jiàn)圖4；

　?、诓捎镁?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/差動(dòng)放大器">差動(dòng)放大器線(xiàn)性放大壓力敏感信號(一般幾十毫伏／5 V激勵)，將傳感器零點(diǎn)輸出值和滿(mǎn)量程輸出值調制到項目規定的標稱(chēng)值的“歸一”功能；

　?、垡騻鞲衅鞯撵`敏度和非線(xiàn)性的離散性，差壓電路須分別先調制兩個(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，即對稱(chēng)性指標。

　　壓差傳感器的電路設計原理如圖5所示。

　　4.2 結構設計

　　壓差傳感器的外形以項目要求為設計依據，同時(shí)考慮到環(huán)境的適應性，進(jìn)行可靠性設計，特別是針對對稱(chēng)性和高過(guò)載能力的要求(壓差傳感器極限過(guò)載要求應能承受±75 MPa，3倍的額定壓力)，將壓差傳感器設計成雙芯體、全固態(tài)、對稱(chēng)的結構，利用雙敏感芯片分別測量正負壓腔的壓力，其中的芯體是指封裝好敏感芯片的傳感器件。雙芯體的設計正是考慮了測量大壓力的壓差信號，經(jīng)過(guò)嚴格的老練篩選和對稱(chēng)性選擇后，進(jìn)行匹配，再裝配成敏感元件。壓差傳感器的內部結構見(jiàn)圖6。

　　4.3 可靠性設計

　　首先，壓差傳感器的敏感芯片采用SIMOX結構基片，增強了環(huán)境溫度的適應性；結構采用全固態(tài)設計，增強了傳感器的環(huán)境適應性和穩定性。

　　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(xiàn)性、溫度等參數進(jìn)行調整。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(guò)全溫區的檢測和應力篩選，并經(jīng)過(guò)“三防”處理，電路板安裝固定采用灌封強化措施，具有抗振動(dòng)、抗沖擊和耐鹽霧、防霉的性能。

　　另外，在電路的設計中專(zhuān)門(mén)增加了EMC設計，傳感器外殼封裝實(shí)現無(wú)縫隙結構，安裝孔間隙采用搭接方法處理，殼體內置屏蔽箔片，電纜線(xiàn)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的濾波器件，降低電路的敏感度和濾除干擾。

　　5 結 論

　　該產(chǎn)品通過(guò)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)、低漂移調制技術(shù)和雙芯體對稱(chēng)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，具有耐高寬溫區、小型化、抗高過(guò)載、抗高沖擊、低漂移、功能強和環(huán)境適應性強等特點(diǎn)，在采用SOI壓力敏感芯片、高溫復合電極的制作、耐高溫壓力敏感芯體的封裝技術(shù)、低漂移的調制技術(shù)、小型化對稱(chēng)結構設計等方面有所突破。

　　通過(guò)反復的試驗證明，壓差傳感器在高溫的條件下可連續工作1000 h，傳感器的線(xiàn)性指標可達到0.10％FS，遲滯、重復性達到0.03％FS，熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移均達到0.008％FS／℃以上。