背壓式硅壓阻壓差傳感器的研制

王 臻，王 偉，楊 明，任海燕，馬亞軍

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

背壓式硅壓阻壓差傳感器的研制

王 臻，王 偉，楊 明，任海燕，馬亞軍

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

根據(jù)伺服系統(tǒng)高精度、高可靠性的測量需求，研制一種背壓式硅壓阻壓差傳感器。傳感器基于硅的壓阻效應(yīng)，與目前硅壓阻壓差傳感器使用薄膜隔離式敏感芯體不同，其感壓芯片的背部直接接觸被測介質(zhì)感受壓力，避免了硅油介質(zhì)傳遞壓力。因此，敏感芯體結(jié)構(gòu)簡單可靠，提高了傳感器長期承壓的可靠性。介紹背壓式硅壓阻壓差傳感器的原理及設(shè)計與實現(xiàn)，主要包括芯體設(shè)計、電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。傳感器通過性能試驗以及環(huán)境適應(yīng)性試驗的考核，并在伺服系統(tǒng)上進行相關(guān)試驗，結(jié)果證明能夠滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

背壓式；硅壓阻；壓差傳感器

0 引 言

根據(jù)伺服系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的特點，配套的壓差傳感器需要滿足高穩(wěn)定性、高可靠性、耐高溫、耐長期壓力、小型化等要求。由于目前伺服系統(tǒng)所使用的硅壓阻壓差傳感器內(nèi)部采用薄膜隔離式的敏感芯體，其封裝結(jié)構(gòu)原理是將硅油密封在敏感芯體內(nèi)部，壓力作用在用于隔離的波紋膜片上，波紋膜片通過不可壓縮的硅油將壓力等值傳遞給芯片[1]。由于硅油密封的工藝復(fù)雜性，敏感芯體存在硅油泄漏從而導(dǎo)致傳感器失效的潛在威脅。因此，為了保障伺服系統(tǒng)的可靠性需求，研制一種背壓式硅壓阻壓差傳感器，其敏感芯體的芯片不用封裝在充滿硅油的芯體內(nèi)部，通過波紋膜片和硅油傳遞被測介質(zhì)的壓力，而是芯片背部直接接觸被測介質(zhì)感受壓力。該傳感器在結(jié)構(gòu)空間和性能指標嚴格限制的情況下，完全滿足伺服系統(tǒng)的使用要求，不僅達到了目前薄膜隔離式硅壓阻傳感器的性能水平，還提高了伺服系統(tǒng)的可靠性。

1 傳感器基本原理

背壓式硅壓阻壓差傳感器基于硅的壓阻效應(yīng)制成。單晶硅是制造各種壓阻式傳感器較為理想的材料。當(dāng)力作用在硅單晶時，硅晶體的電阻率將發(fā)生顯著的變化，這種材料電阻率隨外界作用力大小而變化的現(xiàn)象即壓阻效應(yīng)[2]。這種效應(yīng)在單晶硅彈性變形極限內(nèi)是完全可逆的，即在作用力使單晶硅的電阻率發(fā)生變化后，去除作用力，材料的電阻率可恢復(fù)到原來的數(shù)值。

根據(jù)歐姆定律，半導(dǎo)體材料的電阻為

式中 ρ為材料電阻率；L為材料長度；A為材料截面積。

微分后得：

式中 μ為泊松系數(shù)。

式中 π為壓阻系數(shù)；σ為材料所受的應(yīng)力；E為彈性模量；K為靈敏系數(shù)；ε為應(yīng)變。

對半導(dǎo)體材料，πE ?1+2μ，則半導(dǎo)體材料電阻的相對變化可寫為

由式（4）可以看出，半導(dǎo)體材料在外力作用下其材料的電阻值變化率ΔR R主要是由材料的電阻率變化Δρ ρ引起，這就是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。在彈性變形限度內(nèi)，硅的壓阻效應(yīng)是可逆的。

由于單晶硅材料的電阻率隨力的作用會發(fā)生變化，且在不同的晶向上其電阻率的變化量及趨勢不同。傳感器敏感元件就是在單晶硅上形成一個厚度與傳感器量程相應(yīng)的壓力膜片，采用半導(dǎo)體工藝在膜片上刻蝕出4個應(yīng)變電阻，形成一個惠斯通電橋，如圖1所示。膜片受到壓力作用后會產(chǎn)生變形，形成正、負兩個應(yīng)變區(qū)，橋臂電阻的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化：電橋一個對臂上的電阻（R1、R3）阻值增大，另一個對臂上的電阻（R2、R4）阻值減小。在電源激勵下，電橋就會輸出與被測壓力成比例的電壓信號，從而實現(xiàn)壓力信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。

圖1 芯體原理

2 傳感器設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計

傳感器的總體設(shè)計是通過兩路壓力敏感芯體分別感受高、低壓端的壓力，將其轉(zhuǎn)換成電壓小信號；然后通過調(diào)理電路，輸出滿足要求的電壓信號。壓差傳感器的總體設(shè)計如圖2所示，主要包括芯體感壓部分和電路調(diào)理部分。

圖2 壓差傳感器總體設(shè)計

2.2 芯體設(shè)計

背壓式芯片的設(shè)計和制作與薄膜隔離式芯片基本相同，是一套集物理光學(xué)、化學(xué)、微機械加工等技術(shù)為一體的過程[3]，主要有以下步驟：a）氧化大硅片；b）光刻、擴散、鈍化沉積、光刻引線孔、蒸鍍鋁膜、反刻、合金、減??；c）將大硅片切片分離出4 mm×4 mm的小芯片。芯片版圖上惠斯通電橋如圖3所示。圖3中，a、B、c、d、e為電橋的焊點。為了方便芯片的補償調(diào)理，該芯片設(shè)計為開橋的惠斯通電橋。

圖3 芯片版圖上惠斯通電橋

由于背壓式敏感芯體不需要充油、封裝等工序，其芯體結(jié)構(gòu)在設(shè)計時具有很大靈活性，可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工況設(shè)計不同的芯體封裝結(jié)構(gòu)。根據(jù)伺服系統(tǒng)配套壓差傳感器機械接口，敏感芯體的設(shè)計示意如圖4所示。

圖4 芯體結(jié)構(gòu)示意

敏感芯體的封裝工序主要包括硅芯片-玻璃環(huán)靜電鍵合、金絲熱壓內(nèi)引線鍵合。首先將篩選好的芯片用靜電鍵合技術(shù)完成硅芯片-玻璃環(huán)的鍵合，然后將金絲線退火處理后，對金絲末端進行加熱，使其形成球狀，再將金絲與芯片壓在一起，完成內(nèi)引線焊接鍵合[2]。焊接好的傳感器芯片如圖5所示。調(diào)制耐高溫aB膠粘劑將硅芯片-玻璃環(huán)粘接于不銹鋼芯座內(nèi)。金絲引線的另一端轉(zhuǎn)接于引線板，最后選用鍍銀銅芯導(dǎo)線作為外引線。在芯座上設(shè)計了兩個密封槽，用于芯體與傳感器基座之間的密封。

圖5 靜封壓焊好的芯片

2.3 電路設(shè)計

傳感器電路設(shè)計主要包括兩部分：敏感芯體補償電路以及信號調(diào)理電路。

2.3.1 敏感芯體補償電路

在硅芯片上制作惠斯通電橋的工藝過程中，其橋臂的4個電阻條不可能完全一致，橋臂電阻的阻值及溫度系數(shù)也不完全相等。因此，當(dāng)壓力為零時，電橋輸出可能不為零，即電橋存在的殘余零點；同時該輸出會隨溫度發(fā)生變化，即存在零點溫度漂移。由于壓阻系數(shù)也會隨溫度發(fā)生變化，因此，存在靈敏度溫度漂移。此外，除了電橋自身的原因，后續(xù)工序中的硅芯片與玻璃環(huán)的靜電封接、粘接等也會附加溫度影響。綜上因素，必須對敏感芯體進行調(diào)理補償，包括零點偏移調(diào)整、零點溫度漂移補償和靈敏度溫度補償[4]。根據(jù)傳感器低成本、易操作的要求，設(shè)計中應(yīng)采用方便、經(jīng)濟的外圍電路對電橋進行溫度系數(shù)補償，補償電路見圖6。

圖6 芯體補償電路模型

圖6 中串聯(lián)在電橋中的Rs用于調(diào)整電橋的零點輸出，并聯(lián)在a、c之間的Rp2用于補償熱靈敏度溫漂，并聯(lián)在a、B之間Rp1用于補償熱零點溫漂。

2.3.2 信號調(diào)理電路

傳感器的信號調(diào)理電路主要包括敏感芯體供電電路、兩路壓力放大電路、差動放大電路等。傳感器的調(diào)理電路原理如圖7所示。

圖7 電路原理

敏感芯體的供電方式一般采用恒壓源或恒流源兩種方式供電。當(dāng)受到壓力作用后橋臂電阻的阻值發(fā)生變化，引起電橋的輸出不平衡，產(chǎn)生一個與壓力信號成正比的輸出信號。與恒流源相比，恒壓源存在環(huán)境溫度影響輸出不能消除的問題。恒壓源供電時，電橋的輸出與溫度帶來的橋臂電阻的變化量有關(guān)，且為非線性關(guān)系，難以對靈敏度溫度漂移進行補償。恒流源供電時，電橋的輸出與橋臂電阻變化量和恒流電流成正比，而與溫度帶來的橋臂電阻變化量無關(guān)，即輸出僅受恒流源精度的影響[5]。因此，恒流源供電能夠?qū)﹄姌虻臏囟绕破鸬窖a償作用。在設(shè)計中選擇三端穩(wěn)壓器形成1 ma的恒流源為電橋供電。

信號放大調(diào)理電路設(shè)計中，信號放大選用儀表放大器，其性能在共模抑制比、線性誤差、抑制噪聲、抑制溫漂等方面優(yōu)于運算放大器。由于其使用方便，在提高傳感器抑制噪聲、精確放大信號能力的同時極大地簡化了電路。電路中使用兩個儀表放大器分別對兩路壓力的小信號進行放大調(diào)理，然后再通過儀表放大器對信號進行差分調(diào)理，最終輸出滿足要求的壓差信號。另外，信號濾波選擇了抗電磁兼容元器件：磁珠、三端電容。磁珠用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，同時具有吸收靜電脈沖的能力。三端電容有3根引線，其中一個電極上有兩根引線，從而構(gòu)成了一個T型濾波器，其高頻濾波效果優(yōu)于普通電容。在電路設(shè)計中采用與磁珠串聯(lián)的形式使用，增強了T型濾波器的濾波效果，從而提高傳感器的抗干擾能力。

2.4 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)伺服系統(tǒng)使用需求，壓差傳感器的結(jié)構(gòu)如圖8所示。由圖8可知，壓差傳感器主要由基座、敏感芯體、鎖緊環(huán)、印制電路板、插座等組成。

圖8 傳感器基本結(jié)構(gòu)

敏感芯體裝入基座內(nèi)，通過兩道O形密封圈實現(xiàn)密封，O形密封圈選用氟硅橡膠材料。氟硅橡膠相比常用的氟橡膠，具有更優(yōu)異的耐油性、耐溶劑性、耐高低溫性、耐氣候老化性。鎖緊環(huán)將芯體固定在基座內(nèi)，為確保傳感器滿足使用環(huán)境中的強度要求，基座、芯座及鎖緊環(huán)的材料選用高強度不銹鋼17-4pH，可以滿足傳感器3倍過載壓力的強度要求。傳感器引線將敏感芯體轉(zhuǎn)換的毫伏級的電壓信號送入印制電路板進行信號調(diào)理放大。調(diào)理后的信號通過插座送入伺服系統(tǒng)。最后，通過螺釘、墊圈完成整個傳感器裝配。

3 傳感器性能驗證

3.1 傳感器性能試驗

為了滿足伺服系統(tǒng)高測試穩(wěn)定性的要求，對傳感器進行性能試驗，除了檢查傳感器的靜態(tài)特性，包括：零位、滿量程、線性度、遲滯、重復(fù)性、輸出紋波等基本指標，還通過零點漂移、熱零點漂移、熱靈敏度漂移測試驗證傳感器的穩(wěn)定性，以保證傳感器在高、低溫的環(huán)境下可以具有良好的工作狀態(tài)[6]。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 性能試驗測試數(shù)據(jù)

通過上述測試，背壓式硅壓阻壓差傳感器性能指標滿足伺服系統(tǒng)的使用要求。

3.2 傳感器環(huán)境適應(yīng)性試驗

由于傳感器在飛行之前需要經(jīng)歷長期的運輸、貯存、多次試驗和一次性作戰(zhàn)使用等，將受到多種復(fù)雜和嚴酷環(huán)境的影響。因此，環(huán)境適應(yīng)性是傳感器的一個重要質(zhì)量特性。環(huán)境試驗將產(chǎn)品或材料暴露到自然或人工環(huán)境中，對傳感器在實際中可能遇到的貯存、運輸和使用條件下的性能進行評價，驗證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性是否滿足伺服系統(tǒng)的使用需求[7]。根據(jù)伺服系統(tǒng)的要求完成對傳感器的環(huán)境適應(yīng)性試驗，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，在經(jīng)過一系列環(huán)境試驗后，產(chǎn)品性能很好地滿足了伺服系統(tǒng)的要求，且傳感器穩(wěn)定性良好，可以適應(yīng)伺服系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求。目前，傳感器已隨伺服機構(gòu)進行熱試車試驗，試驗完畢，傳感器性能指標良好。

綜上所述，背壓式硅壓阻式壓差傳感器可以滿足伺服系統(tǒng)使用過程中高精度、高可靠性的測量要求。

表2 環(huán)境適應(yīng)性試驗測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

為了滿足伺服系統(tǒng)高精度、高可靠性測量的要求，研制了一種背壓式硅壓阻壓差傳感器。本文主要介紹了傳感器的原理以及其設(shè)計與實現(xiàn)。通過各項試驗對傳感器進行了性能驗證、環(huán)境適應(yīng)性試驗驗證，且傳感器已隨伺服系統(tǒng)完成熱試車試驗，說明傳感器達到了預(yù)期設(shè)計的要求，可以滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

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Research on Back-pressure Silicon Piezoresisitive differential Pressure Sensor

Wang Zhen, Wang Wei, Yang Ming, Ren Hai-yan, Ma Ya-jun
(Beijing Institute of precise Mechanical and electronic control equipment, Beijing, 100076)

according to the measurement requirements of servo system with high accuracy and high reliability, a kind of back-pressure type silicon piezoresistive differential pressure sensor is developed. The sensor is based on piezoresistive effect of silicon, unlike the current silicon piezoresistive differential pressure sensor using the thin-film isolation sensitive core, the back of the pressure sensing chip directly contacts the measured medium to sense pressure, so as to avoid the oil medium transferring pressure. Therefore, the sensitive core has a simple and reliable structure, and can improve the sensor’s reliability of long-term pressure-bearing. The principle and the realization and design of back-pressure silicon piezoresistive differential pressure sensors are introduced in this paper, mainly including: the core design, circuit design, and structure design. The sensor passed through evaluation of the performance test and environmental adaptability test, and also was tested in the servo system, and the results proved the sensor can meet the application requirements of servo system.

Back-pressure; Silicon piezoresisitive; differential pressure sensor

V443

a

1004-7182(2016)01-0098-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160123

2014-08-01；

2015-03-12

王 臻（1983-），女，工程師，主要研究方向為電子測量設(shè)計