小型共面接口壓差傳感器[圖]

摘要：小型共面接口壓差傳感器是一種壓力傳感器，該傳感器主要用于測量和控制兩個油路壓力差。該產(chǎn)品采用SOI硅晶圓材料制作硅壓阻式壓力敏感芯片，敏感元件的工作溫度范圍為-55~300℃，通過雙芯體結構將油路的壓力差信號轉換成電信號，再利用精密的信號處理電路，將微弱的電信號進行放大處理，實現(xiàn)標準的模擬信號輸出。

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(zhí)行器的油路壓力差的關鍵組件，通過擴展量程、修改結構，可以應用于其他的類似環(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散硅壓阻工作機理。擴散硅壓阻式（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，它利用擴散硅電阻率的壓敏效應，構成惠斯登電橋的四個擴散硅電阻，如圖1所示。

傳感器通過壓力接口感受被測介質的壓力信號，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，設計專用的信號電路，將獨立的兩個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材料是一種先進的SOI材料，其制作的壓力敏感芯片是采用體電阻結構，通過絕緣層實現(xiàn)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放大器線性放大壓力敏感信號，將傳感器零點輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到標稱值。原理框圖如圖3。

硅壓阻壓力傳感器信號調(diào)制電路的設計具有多重功能：

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

②采用精密差動放大器線性放大壓力敏感信號（一般幾十毫伏／5 V激勵），將傳感器零點輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到項目規(guī)定的標稱值的“歸一”功能；

③因傳感器的靈敏度和非線性的離散性，差壓電路須分別先調(diào)制兩個敏感器件的輸出信號，再進行差分放大，保證差壓傳感器的特征指標，即對稱性指標。

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(jù)，同時考慮到環(huán)境的適應性，進行可靠性設計，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)過嚴格的老練篩選和對稱性選擇后，進行匹配，再裝配成敏感元件。壓差傳感器的內(nèi)部結構見圖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(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)絡技術，對傳感器的線性、溫度等參數(shù)進行調(diào)整。電路中各元器件盡量采用貼片封裝，不使用可動電位器，電路板裝配后再經(jīng)過全溫區(qū)的檢測和應力篩選，并經(jīng)過“三防”處理，電路板安裝固定采用灌封強化措施，具有抗振動、抗沖擊和耐鹽霧、防霉的性能。

另外，在電路的設計中專門增加了EMC設計，傳感器外殼封裝實現(xiàn)無縫隙結構，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，電路接地點共點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?shù)臑V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SOI壓力敏感芯片的制作技術、耐高溫敏感芯體的封裝技術、低漂移調(diào)制技術和雙芯體對稱技術等關鍵技術，具有耐高寬溫區(qū)、小型化、抗高過載、抗高沖擊、低漂移、功能強和環(huán)境適應性強等特點，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、低漂移的調(diào)制技術、小型化對稱結構設計等方面有所突破。

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