高可靠性压力传感器的原理探究

高可靠性压力传感器的原理探究

里宇枢褚福彬

（中国电子科技集团公司第四十九研究所黑龙江省哈尔滨市150001）

摘要：近年来，随着新材料、新工艺、新技术不断引入到MEMS传感器研究中，涌现出大量不同工作原理的压力传感器，例如电阻应变片传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、谐振式传感器、硅蓝宝石传感器及光纤传感器等等。其中基于MEMS工艺的压阻式传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好、精度较高、低功耗、易于集成化与微型化等突出优点，越来越广泛地应用于汽车电子、冶金、石油化工、动力机械、地质及地震测量领域中，是当今高新技术装备中十分重要的电子产品。在一些环境严酷且关乎人身安全的应用场合，传感器的可靠性技术是使用者最关心的问题之一，也是传感器能否大规模实用化的关键技术之一。

关键词：高可靠性；压力传感器

1传感器工作原理

1.1敏感元件的结构

芯片是传感器的核心，功能是将被测压力转换为电信号。为了满足高温使用需求，传感器芯片为ＳＯＩ结构，结构以衬底硅作为机械支撑，顶层单晶硅膜用于制造器件，中间的绝缘介质作为隔离层。如图１所示，ＳＯＩ压力芯片利用硅氧化物实现敏感电阻之间以及与基片之间的电隔离，替代了传统的扩散硅ＰＮ结电隔离技术，因而具有良好的高温工作特性。芯片由硅材料和玻璃组成，硅材料和玻璃之间是静电封装结构。

敏感元件为芯片的封装结构，本设计采用隔离密封的充灌结构，芯片侵泡于填充夜中，该结构具有工艺成熟、灵敏度高、稳定性好、被测介质与敏感芯片无接触等优点，能充分发挥硅材料优良的线性特性。敏感元件结构如图2所示，主要由芯片、管座、膜片等零件组成。。敏感芯片采用高温胶粘贴装配在耐高温的金属管座上；芯片与金属外引线通过金丝内引线连接，该工艺成熟可靠；金属外引线采用金属－玻璃封接工艺与管座连接固定，具有较高的机械强度、耐高温性和良好的密封性；不锈钢波纹膜片气密性隔离敏感芯片和被测介质，可避免芯片受介质影响；不锈钢波纹膜片通过激光焊接固定在压环和管座之间；不可压缩的填充液硅油被真空净化处理后灌入感压腔内，灌封完成后用封油珠焊接密封充灌油路；当压力作用在波纹膜片上时，膜片变形通过硅油传导压力至芯片，芯片上电桥桥臂电阻变化产生相应信号。

图1ＳＯＩ与扩散硅压力芯片电阻结构对比

图2压力敏感元件结构

1.2整机的结构

整机结构在设计上需满足防水、防尘、抗电磁干扰、抗振动和冲击、体积小、重量轻、便于装配等要求。传感器为机电一体化产品，整机结构主要由电路板、壳体、固定件、基座、敏感元件和阻尼塞等组成。

压力传感器工作时通过基座螺纹安装固定在被测管路及箱体上，基座材料选用不锈钢３１６Ｌ，材料采用固溶热处理后加工使用。固定件在传感器内部起承接固定作用，固定件下端内部螺纹与基座连接，固定件下端外部螺纹与壳体连接，固定件上端有４个螺纹孔，通过４个Ｍ２螺钉和平垫圈固定电路板，螺纹均涂覆环氧胶拧紧防松，胶体填充螺纹缝隙间。固定件和壳体材料选用铝合金以减轻整机的质量，壳体表面进行导电氧化处理。传感器导线选用高温导线。阻尼塞可降低大冲击压力对膜片的损伤，还可避免尖锐物品损坏敏感元件膜片。敏感元件和基座安装结构将直接决定传感器的密封强度，常见的安装结构为密封圈隔离安装、螺纹安装和焊接安装三种。传感器结构设计采取了Ｏ型密封圈和焊接相结合的安装方式。Ｏ型圈悬浮式结构利用橡胶的弹性及柔性可充分隔离装配应力。焊接采用电子束焊接，无需填充材料，与激光焊接技术相比具有焊接面积小、速度快、不易损伤精密电子器件、焊接参数易于控制等优点。电子束焊接技术是利用高速电子的动能转化为热能，使焊缝处的金属材料迅速熔化融合从而达到焊接的目的。由于高温会导致敏感元件内部硅油性质变化，因此决定焊接部位为敏感元件上端面，焊缝形式为径向环形焊缝，且在焊接处设计散热锥面已降低敏感元件表面温度。

1.3温度补偿技术的应用

在实际工程应用中为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取的一系列技术措施称为温度补偿技术。压力传感器的温度补偿通过电路设计实现，利用专用的传感器信号调理芯片实现温度补偿的方法具有集成度高、精度高、便于批量化生产等优点。Ｍａｘ１４５２是一款较常见的信号调理芯片，该芯片是一款高度集成的信号处理器，具有放大、校准和温度补偿功能，其综合工作特性可以逼近传感器所固有的可重复能力，可同时实现零位和灵敏度的补偿。该芯片还可用于加速度传感器、湿度传感器的温度补偿及校准。电路主要由稳压源、信号处理器和敏感元件电桥组成。稳压源提供稳定５Ｖ电压，信号处理器通过ＢＤＲ管脚给电桥供电，通过ＩＮＰ和ＩＮＭ管脚接收电桥感受压力后输出的电压信号，在信号处理器内部通过温度补偿曲线对信号进行补偿，并由ＯＵＴ管脚直接输出补偿后的电压信号。信号处理器对电桥的供电可设置为恒流供电或恒压供电，本设计选用恒流供电模式。补偿完成后的传感器在低温－４０℃和高温６０℃零位差值不大于０．００５Ｖ，且温度范围内输出稳定。

2可靠性试验

2.1力学试验

传感器力学试验包括振动试验、模拟运输试验、冲击试验和过载试验。振动试验和模拟运输试验均在电动振动台上进行，冲击试验在跌落式冲击台上进行，过载试验在中型离心机上进行。试验方向均沿产品相互正交的３个方向，试验过程中传感器通电测试，传感器输出需满足零点输出要求，传感器外观无损伤。

2.2自然环境试验

传感器自然环境试验包括低气压试验、温度循环试验、湿热试验、高温试验、低温试验、温度冲击试验、霉菌试验和盐雾试验。试验过程中产品在环境试验箱通电检测。试验中的传感器输出正常，试验后产品结构完好，在常规条件（温度：２０℃，湿度：３０％～５０％）下加电测试传感器的性能指标，结果和试验前的指标基本保持一致，说明该传感器可以经受自然环境的考核。

结论

高可靠性压力传感器在军事和民用领域具有十分重要的应用价值，本文对一种高可靠性压力传感器的工作原理进行了简要分析。通过各项试验对传感器进行了性能验证。经试验与测试表明，采用该工作原理制成的压力传感器不但可靠性高，而且尺寸小，重量轻，能够满足高可靠性工程领域的要求。目前该类产品已在实际工程中大量使用，效果良好。

参考文献：

[1]李科杰．新编传感器技术手册［M］．北京：国防工业出版社，2016．

[2]王富．井下光纤光栅温度压力传感器的研制［J］．西安石油大学学报（自然科学版），2016，26（1）：79－86．