金琦，李長春，楊 勇，劉宏偉，孫 克

　　(沈陽儀表科學研究院，沈陽 110043)

　　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、環境適應性強，尤其是敏感元件能夠適應-55～300℃的工作環境，是測量和控制執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，通過絕緣層實現電阻之間的電氣隔離，而不是pn結隔離，避免了在高溫環境下反向漏電的急劇增加，從而避免傳感器在高溫環境下失效。

　　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制到標稱值。原理框圖如圖3。

　　硅壓阻壓力傳感器信號調制電路的設計具有多重功能：

　?、贋榱烁纳茰囟忍匦?，信號電路與敏感器件溫度補償網絡匹配組合，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制到項目規定的標稱值的“歸一”功能；

　?、垡騻鞲衅鞯撵`敏度和非線性的離散性，差壓電路須分別先調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，同時考慮到環境的適應性，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、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，增強了環境溫度的適應性；結構采用全固態設計，增強了傳感器的環境適應性和穩定性。

　　其次，在電路中采用精密儀表放大器和熱敏電阻網絡技術，對傳感器的線性、溫度等參數進行調整。電路中各元器件盡量采用貼片封裝，不使用可動電位器，電路板裝配后再經過全溫區的檢測和應力篩選，并經過“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無縫隙結構，安裝孔間隙采用搭接方法處理，殼體內置屏蔽箔片，電纜線屏蔽網與殼體連接，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的濾波器件，降低電路的敏感度和濾除干擾。

　　5 結 論

　　該產品通過SOI壓力敏感芯片的制作技術、耐高溫敏感芯體的封裝技術、低漂移調制技術和雙芯體對稱技術等關鍵技術，具有耐高寬溫區、小型化、抗高過載、抗高沖擊、低漂移、功能強和環境適應性強等特點，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。