電容式薄膜真空壓力傳感器設計

王 凡， 崔宏敏， 宗義仲， 王文博

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

電容式薄膜真空壓力傳感器設計

王 凡， 崔宏敏， 宗義仲， 王文博

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了滿足在工程型號上的使用要求，解決真空壓力傳感器敏感探頭殼體與傳感器殼體隔離絕緣問題；傳感器輸出信號非線性的補償問題；傳感器熱零點漂移的全電路的溫度補償問題，采用電容式薄膜封裝結構，殼體為電容的另一極，在0.1～100 Pa的范圍內(nèi)進行了校準測試，實現(xiàn)了傳感器0.2 %FS的測量精度。

電容式薄膜真空壓力傳感器； 零點漂移； 溫度補償

0 引 言

隨著我國空間探測技術和工程的發(fā)展，在地球應用衛(wèi)星和載人航天器的基礎上進行深空探測活動，是進一步了解宇宙、太陽系和認識地球生命起源和演化過程的重要手段，也是我國深空探測工程的發(fā)展方向和目標。在未來幾十年,我國將對火星進行深入的探測活動，這就對真空壓力的測量提出了新的要求[1]。目前，在現(xiàn)有的真空計中，如熱偶效應原理和熱電阻效應原理的真空計非線性較大，一般為±5 %，測量下限為102 Pa，存在較大的氣體選擇性；電離效應原理的真空計非線性也較大,為±5 %，測量下限為10-4Pa，具有氣體選擇性；這幾種真空計在實際應用中將存在著較大的測試誤差[2]；硅壓阻效應原理和硅基薄膜電容效應原理的真空計，非線性小，測量精度高，沒有氣體選擇性，由于國內(nèi)還沒有較好的解決微壓力感知膜片厚度的加工減薄工藝問題，測量下限只能為1 kPa左右[3～5]，達不到真空測量的下限要求；而電容式薄膜效應原理的真空計，具有體積和重量都較大，靈敏度高，沒有氣體選擇性，測量下限為10-2Pa[6]，探頭殼體為電容的一極，輸出信號為非線性等特點。

為了解決上述原理的真空計不能完全滿足空間探測工程的應用需要，本文研制了能夠滿足空間探測工程需要的電容式薄膜真空壓力傳感器。

1 傳感器總體設計

傳感器總體設計如圖1所示，當通過阻尼管對傳感器抽氣管抽真空時，管內(nèi)壓力減小，真空度增大，薄膜彈性膜片向下開始移動，與上電極之間產(chǎn)生距離為d，根據(jù)平板電容效應原理，即C=8.86×10-12εR2π/d，進氣管內(nèi)的壓力發(fā)生變化時，兩個電極間隙距離隨之變化，而引起電容變化，通過調(diào)理電路的調(diào)理，可以獲得由電容變化而獲得的電壓信號輸出。利用校準的方法，可以建立真空壓力與傳感器輸出電壓的關系，獲得真空壓力。

圖1 傳感器組成示意圖

2 結構的設計

2.1 材料的選擇

傳感器結構設計時，考慮外殼封裝材料應與薄膜彈性膜片的材料要有相近的熱膨脹系數(shù)、相同的耐腐蝕特性和可焊性，是結構設計遵循的基本原則。真空壓力敏感探頭主要殼體封裝材料選用不銹鋼(316L)，薄膜彈性膜片選用鎳基合金(712)，上電極材料選用95#高純Al2O3，電極鍍膜為銀鈀合金漿料，引腳與上電極采用彈性導電材料壓接，形成無引線連接體將電容信號引出，調(diào)整墊圈材料選用不銹鋼(316L)。傳感器外殼材料選用鋁合金材料，降低傳感器的重量，隔離絕緣結構件選用環(huán)氧樹脂玻璃布棒(3841)加工，密封材料選用硅橡膠材料的“O”型圈，通過這些材料的設計、加工、裝配、調(diào)試和校準測試，完成電容式薄膜真空壓力傳感器的工藝研究過程。

2.2 薄膜彈性膜片設計

薄膜電容式真空壓力傳感器在不同量程時，膜片的厚度是不同的，與上電極間的距離也不相同。在一般情況下，薄膜彈性膜片厚度遠小于變形量時，可根據(jù)大撓度理論建立的特性方程，進行分析和近似計算，獲得最大撓度的近似解為

(1)

式中 ω為最大撓度，mm；p為薄膜彈性膜片感受的壓強，Pa；μ為薄膜彈性膜片的材料泊松比(取值0.272)；R為薄膜彈性膜片的半徑，cm；h為薄膜彈性膜片的厚度，cm；E為薄膜彈性膜片彈性模量(200×109)，Pa。

理論設計，在薄膜彈性膜片半徑為36mm，薄膜彈性膜片厚度為0.045mm時，由式(1)計算薄膜彈性膜片最大撓度為0.16mm，在考慮冗余設計后，最終確定薄膜彈性膜片與上電極間的距離設計為0.2mm。

2.3 薄膜彈性膜片與上電極間隙設計和控制

在傳感器結構封裝后，保證上電極與薄膜彈性膜片在下限(0.1Pa)測量時，距離滿足理論設計要求，在外殼結構件設計時，外殼安裝止口高度和上電極安裝止口高度要求對加工尺寸偏差進行控制，經(jīng)結構封裝后，薄膜彈性膜片與上電極間的距離控制范圍應為0.16～0.22mm，如圖2所示。

圖2 外殼止口高度和上電極安裝止口高度控制圖

由于結構件加工因素的影響，一般情況下，這兩個結構件裝配后，薄膜彈性膜片與上電極間的距離均偏大，在0.25～0.32 mm范圍內(nèi)。為了保證與設計要求相符合，通過對半成品止口高度的精加工的控制，實現(xiàn)薄膜彈性膜片與上電極間的距離為0.2 mm，使得每只傳感器的信號輸出在一定的范圍內(nèi)，可以滿足傳感器的一致性要求。

2.4 隔離絕緣結構設計與裝配控制

傳感器隔離絕緣結構設計，是將電容式薄膜真空壓力敏感探頭抽氣管口處留3 mm高度，與固定件用氬弧焊接固定，它與接頭之間用O型圈、內(nèi)密封環(huán)和外密封環(huán)隔離，用6個絕緣墊圈將6個沉頭螺釘安裝在傳感器殼體上，在6個螺釘均勻擰緊后，O型圈沿軸向被壓縮大于20 %時，就將固定件與殼體之間的兩個安裝平面密封，密封的程度按小于1×10-9Pa·m3/s值，用氦質(zhì)譜檢漏方法確定。傳感器殼體內(nèi)部空隙，用GN521硅膠灌填，在加固電容式薄膜真空壓力敏感探頭同時，也減小了振動和沖擊傳感器零點輸出的影響。密封和隔離結構如圖3所示。

圖3 隔離結構放大圖

3 電路設計

3.1 電路總體設計

真空壓力傳感器電路將根據(jù)電容式薄膜真空壓力敏感探頭的功能特點設計，主要考慮將兩個電極間的間隙變化轉換成電容信號的變化，然后通過調(diào)理電路將其調(diào)理成滿足要求的電壓信號。如圖4所示。各部分完成了電路的內(nèi)外保護、干擾的濾除、傳感器的供電及電容信號變換與放大調(diào)理等功能。

圖4 傳感器工作原理框圖

3.2 自適應線性補償原理

真空壓力傳感器是基于平板電容原理，即C=K×1/d，即傳感器輸出電容是兩個極板間距離的反比函數(shù)關系，說明傳感器探頭是具有非線性特征，具體情況如圖5所示。

圖5 輸出電容于極板間隙的關系曲線

作為真空計進行單點測試時，它的測試精度會很高；但作為真空壓力傳感器，要求全量程測試精度時，則它的測試精度會很低。為了解決該傳感器的非線性問題，在電容效應的傳感器中，往往選擇差動式直流充電法將電容信號轉換為電壓信號[7]，還有開關檢波電路法將電容信號轉換為電壓信號，然后采用單片機技術對其信號進一步處理[8]。在傳感器電路設計中，考慮到產(chǎn)品可靠性問題時，一般不會考慮這樣的電路處理方法。所以，需要設計一種可靠性高的交流放大電路，能夠在信號放大過程中自適應地補償非線性，實現(xiàn)傳感器輸出電壓信號Vo與兩個極板間距離d為正比關系的目的。這種電路應當具有的傳遞函數(shù)為k=Vo/Vi=K·d，使傳感器輸出電壓信號為Vo=K·d·Vi的線性關系。使傳感器輸出電壓信號自適應地得到自動線性補償。

3.3 自適應線性補償電路設計

根據(jù)自適應線性補償原理，設計一種交流放大電路，其電路原理如圖6所示。其中，Ui為交流激勵電源電壓，工作頻率為f，Uo為電路的輸出電壓，工作頻率為f，電路的傳遞函數(shù)應為

(2)

式中 Uo為電路的輸出電壓，V；Ui為交流激勵電源電壓，V；C1為電路的輸入極電容，pF；Cx為傳感器探頭的輸出電容，pF；d為兩個極板間距離，mm；K＇為比例常數(shù)。通過該電路后，輸入輸出電壓信號呈現(xiàn)線性關系，這一結果與自適應線性補償原理分析一致，傳感器輸出信號為線性，如圖7所示。

圖6 交流放大電路原理

圖7 傳感器的輸出特征曲線

3.4 熱零點漂移補償電路設計

真空壓力傳感器探頭在結構封裝時需要高溫加熱和抽真空處理，由于內(nèi)部真空度、結構的漏率、上下電極材料熱膨脹系數(shù)的差異性和調(diào)理電路的溫度特性都會影響真空壓力傳感器熱零點漂移的大小。電路設計時考慮到這些因素，采用全電路補償方式，在直流信號調(diào)零電路中采用熱敏電阻器與固定電阻器串聯(lián)分壓進行傳感器零點輸出的調(diào)試。全電路溫度補償方式見圖8。當傳感器需要溫度補償時，首先將R19焊接位短接，在(25±2)℃的環(huán)境中，用真空校準裝置，調(diào)試傳感器零點輸出達到要求的標準值，然后在-25～40 ℃的溫度中測試傳感器零點輸出的漂移值，計算傳感器溫漂系數(shù)和漂移方向。根據(jù)這個溫漂系數(shù)和漂移方向確定合適的熱敏電阻器，焊接在R19的焊位上。需要再重新調(diào)零時，觀察傳感器在-25～40℃的溫度中的熱零點漂移情況是否滿足要求。經(jīng)過幾次反復調(diào)試，直到傳感器熱零點漂移小于0.04 %FS/℃才滿足要求。全電路補償結果如表1所示。

圖8 全電路溫度補償電路

4 傳感器校準測試結果

用真空校準裝置在20 ℃下對傳感器進行調(diào)試和校準后，得到的測試結果如圖9所示。測試數(shù)據(jù)計算處理結果：非線性0.116 6 %FS,遲滯0.047 %FS,重復性0.011 88 %FS,準確度0.129 67 %FS,零點輸出1.002 5 V,滿量程輸出3.998 85 V,靈敏度0.039 99 V/Pa。

表1 全電路零點補償結果

圖9 正反行程測試曲線

5 結 論

通過對電容式薄膜真空壓力傳感器的研究和設計，獲得了一種能夠滿足空間探測工程需要的真空壓力傳感器產(chǎn)品，在產(chǎn)品中采用了敏感探頭的封裝工藝技術、自適應非線性補償電路技術、全電路溫度補償電路技術，實現(xiàn)了該產(chǎn)品在0.1～100 Pa范圍內(nèi)，測量精度優(yōu)于0.2 %FS。對敏感探頭與傳感器殼體之間設計隔離絕緣結構，解決傳感器殼體與電源地分離問題，滿足空間探測工程的要求。

[1] Catling D C.High-sensitivity silicon capacitive sensors for mea-suring medium-vacuum gas pressures[J]．Sensors and Actuators，1998,64:157-164．

[2] Hobson J P.Fifty years of vacuum science[J].Journal of Vacuum Science and Technology A，2003，21(5):S7-S11.

[3] 張 丹，林 履.基于MEMS技術的電容式微型真空傳感器[J].微納米電子技術，2008,45(2):104-108.

[4] 陶 也，曾 毅.微型電容式壓力傳感器硅基薄膜的設計與制備[J].廈門大學學報：自然科學版，2013，52(5)：627-632.

[5] 龐 程，趙 湛.MEMS硅膜電容式氣象壓力傳感器的研制[J].微納米電子技術，2007,7(8):249-251，278.

[6] Hidalgo J M,de Segovia J L.Uncertainties in calibration using capacitance diaphragm gauges as reference standard[J].Vacuum,2008,82(12):1503-1506.

[7] 馮 佳，李佩玥.調(diào)幅式電容位移傳感器開關檢波電路設計與[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(5)：85-88.

[8] 葉 娟，李新娥.微小型一體化電容式測壓器的設計與實現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(7)：132-139.

Design of capacitive thin film vacuum pressure sensor

WANG Fan， CUI Hong-min， ZONG Yi-zhong, WANG Wen-bo

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

In order to meet the requirements of engineering models.In the research of the capacitive thin film vacuum pressure sensor,solve problems of insulation isolation between sensitive probe case and sensor case,nonlinearity compensation of sensor output signals,full circuits temperature compensation of thermal zero point drift use capacitive thin film packaging structure,shell of sensor acts as a pole of the capacitor,calibration test is performed in measuring pressure range of(0.1～ 100)Pa,0.2 % FS measurement precision is achieved.

capacitive thin film vacuum pressure sensor; zero point drift; temperature compensation

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0084—03

2016—12—12

TP 212

A

1000—9787(2017)03—0084—03

王 凡(1958-)，男，高級工程師，從事傳感器應用技術研究和設計工作。