充油MEMS壓力傳感器研制

盛文軍，陳叢，錢江蓉，胡國俊

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

壓力傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、鐵路交通、管道等各種工業(yè)自控環(huán)境。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，高精度、高可靠性壓力傳感器的需求也越來越大。目前應(yīng)用較為廣泛的壓力傳感器為陶瓷壓力傳感器，這種傳感器精度較差，無法滿足高端領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用需求。充油MEMS壓力傳感器，是一種基于MEMS技術(shù)的壓阻式壓力傳感器。MEMS壓力傳感器芯片整個(gè)密封在硅油當(dāng)中，外部壓力介質(zhì)直接接觸波紋膜片。基于這種原理，本文開發(fā)了一種MEMS充油壓力傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的壓力測量精度，具有良好的可靠性，可以兼容液體、氣體等各種工作介質(zhì)。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

充油MEMS壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1左所示，壓環(huán)和基座的材料為316不銹鋼，不銹鋼波紋膜片直接感受外部工作介質(zhì)的壓力，三者通過激光焊接在一起?；筒y膜片構(gòu)成的密封腔體內(nèi)充有液態(tài)導(dǎo)壓介質(zhì)硅油，傳導(dǎo)由波紋膜片所感測的外部介質(zhì)壓力。MEMS壓力傳感芯片通過貼片膠粘貼于充油芯體基座上，芯片引腳利用引線鍵合工藝連接在插針上，從而實(shí)現(xiàn)外部電氣連接。硅油傳導(dǎo)至芯片上的壓力，由芯片上高精度半導(dǎo)體壓阻條構(gòu)成的惠斯通電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。本充油MEMS壓力傳感器采用開環(huán)MEMS壓力芯片，并在底部設(shè)置了一個(gè)溫度補(bǔ)償電路板，對(duì)MEMS芯片的原始信號(hào)進(jìn)行模擬溫度補(bǔ)償。如圖1中所示，為充油MEMS壓力傳感器完成實(shí)物圖，溫度補(bǔ)償電路板的外層進(jìn)一步包覆了橡膠，進(jìn)一步提高可靠性，引針也由軟導(dǎo)線引出，方便傳感器OEM組裝。開環(huán)MEMS壓力芯片的正面基本結(jié)構(gòu)示意如下圖1右所示：感壓膜上分布有四個(gè)P型壓阻，由Al導(dǎo)線互聯(lián)形成開環(huán)惠斯通電橋，并將信號(hào)由Pad引出。

2 傳感器原理

MEMS壓阻式壓力傳感器利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)和硅薄膜良好的彈性，采用硅微機(jī)械加工制造工藝制成。硅薄膜表面有通過擴(kuò)散工藝制成的半導(dǎo)體力敏電阻，Ra、Rb、Rc和Rd，如圖2所示，硅薄膜受壓形變時(shí)Ra和Rc阻值變大，Rb和Rd阻值變小，阻值變化與硅薄膜應(yīng)力為線性相關(guān)，為了提高滿量程輸出電壓、減少零點(diǎn)溫度漂移、提高線性度等，4個(gè)力敏電阻作為橋臂電阻連接成惠斯通電橋形式，電橋輸入端+In和-In之間為恒流供電I0，+Out和-Out之間為電橋輸出V0，關(guān)系可表示為：

圖1

當(dāng)彈性膜片受到外界壓力時(shí)，薄膜兩側(cè)將有壓差形成，膜片會(huì)發(fā)生變形，使得膜片上的四個(gè)力敏電阻阻值發(fā)生變化，此時(shí)電橋就會(huì)失去平衡，將會(huì)有電壓輸出。

由于4個(gè)橋臂電阻的初始值相同R，變化值也相同，以上可簡化為：

傳感器高溫下會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)和靈敏度溫漂，為了保證測量精度，提高傳感器的溫度穩(wěn)定性，如圖2所示，在惠斯通電橋內(nèi)加了平衡電阻R1、R2、R3、R4和R5進(jìn)行兩點(diǎn)溫度補(bǔ)償。R1、R2為零點(diǎn)溫漂修正電阻，與Ra或Rb并聯(lián)之后的等效溫度系數(shù)變小，補(bǔ)償零點(diǎn)溫度系數(shù)，R3、R4為電橋平衡電阻，使傳感器的零點(diǎn)輸出為零，R5為靈敏度溫度補(bǔ)償電阻，并聯(lián)在電橋一側(cè)，對(duì)電橋供電電流進(jìn)行分流，從而對(duì)靈敏度溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

將設(shè)計(jì)的充油MEMS壓力傳感器進(jìn)行功能驗(yàn)證（量程范圍1MPa，表壓），測試其在不同溫度、壓力下的精度及可靠性。（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)壓力傳感器性能測試的需求，搭建了壓力傳感器的性能測試平臺(tái)。平臺(tái)主要有高低溫箱、壓力氣路、鋼瓶氣源、壓力控制器、高精度電流源以及高精度電壓表。鋼瓶氣源的氣體經(jīng)過減壓閥減壓之后通過壓力氣路進(jìn)入壓力控制器，能夠精確調(diào)壓為需要的氣體壓力，并通過壓力氣路傳導(dǎo)至壓力傳感器，高低溫箱能夠控制環(huán)境溫度，高精度電流源提供+In、-In端輸入電源，高精度電壓表測量+Out、-Out端輸出電壓。（2）性能試驗(yàn)。隨機(jī)抽取了兩個(gè)傳感器，在常溫（25℃）、85℃兩個(gè)不同的溫度點(diǎn)下分別測試傳感器在 0MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa等不同的壓力點(diǎn)下的輸出表現(xiàn)（壓力先0～1MPa逐漸升高再1～0MPa逐漸降低）。取供電電流為1.5mA，傳感器的輸出（單位mV）如表1所示。

表1

根據(jù)表1中的測試結(jié)果，對(duì)傳感器的線性度、零點(diǎn)溫漂、滿度溫漂進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，兩個(gè)樣品在25℃時(shí)線性度最好為0.17%，在85°時(shí)線性度最好為0.16%，零點(diǎn)溫度穩(wěn)定性最好為0.17%，滿度溫度穩(wěn)定性最好為0.22%，具有較好的線性度和溫度穩(wěn)定性，完全能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，如表2所示。

表2

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于硅-玻璃雙層結(jié)構(gòu)的MEMS壓力傳感器芯片的充油壓力傳感器，在25～85℃、0～1MPa范圍內(nèi)，該傳感器輸出具有良好的溫度穩(wěn)定性和線性度，能夠滿足OEM使用的要求。