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高可靠性壓差傳感器的設(shè)計與測試 壓差傳感器用于伺服系統(tǒng)作動器兩腔壓力差的測量，文中針對高可靠性、高精度、耐高溫、小型化壓差傳感器的應(yīng)用需求，提出了高可靠性壓差傳感器的設(shè)計方案并進行測試，主要包括芯體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計。 該產(chǎn)品采用 ＳＯＩ 硅晶圓材料制作壓力敏感芯片，可在 １５０ ℃ 下正常工作。 傳感器通過性能測試以及環(huán)境試驗，試驗結(jié)果表明該傳感器能夠滿足實際使用要求，在150 ℃ 下溫度漂移和靈敏度漂移均小于±０.１％ＦＳ／ ℃ 。 ０ 引言 壓差傳感器是液壓伺服系統(tǒng)中的重要組成部件，傳感器將作動器兩腔壓力的差值信號轉(zhuǎn)換為標準電壓信號送入控制器，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，傳感器的可靠性和精度將直接決定伺服系統(tǒng)能否可靠工作［１］ 。針對某些特殊工程領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃�、高精度、耐高溫、小型化壓差傳感器的�?yīng)用需求，提出了高可靠性壓差傳感器的設(shè)計方案，傳感器可穩(wěn)定工作于150 ℃ 高溫。 并通過試驗驗證該傳感器的可靠性，滿足實際工程的使用要求。 １ 傳感器設(shè)計方案 針對測量壓力量程要求為±２５ ＭＰａ 壓力，采用 １個測量壓力差值的芯體無法實現(xiàn)可靠測量，所以傳感器采用雙芯體結(jié)構(gòu)，通過兩路壓力敏感芯體分別感受高、低壓端的壓力并將其轉(zhuǎn)換成 ２ 路電壓小信號；然后對 ２ 路小信號進行溫度補償，最后兩路信號差分處理，傳感器輸出差值信號。主要包括芯體感壓部分和電路調(diào)理部分。 １.２ 壓力敏感芯體 敏感芯體是傳感器的核心，功能為將被測介質(zhì)壓力轉(zhuǎn)換為電信號。 為了滿足高溫使用需求，壓力敏感元件采用 ＳＯＩ 芯片。 ＳＯＩ 芯片的結(jié)構(gòu)為襯底硅作為機械支撐，頂層單晶硅膜用于制造器件，中間的絕緣介質(zhì)作為隔離層，ＳＯＩ 芯片利用硅氧化物實現(xiàn)敏感電阻之間以及與基片之間的電隔離，替代了傳統(tǒng)的擴散硅ＰＮ 結(jié)電隔離技術(shù)，因而具有良好的高溫工作特性［２］ 。 壓力敏感芯體采用隔離密封的充灌結(jié)構(gòu)［３］ ，如圖２ 所示，主要由芯片、管座、膜片等組成。 敏感芯片采用高溫膠粘貼裝配在耐高溫的金屬管座上；芯片與金屬外引線通過金絲內(nèi)引線連接，該工藝成熟可靠；金屬外引線采用金屬－玻璃封接工藝與管座連接固定，具有較高的機械強度、耐高溫性和良好的密封性；不銹鋼波紋膜片隔離敏感芯片和被測介質(zhì)，可避免芯片受介質(zhì)影響；不可壓縮的填充液被真空凈化處理后灌入感壓腔內(nèi)，灌封完成后用封油珠焊接密封充灌油路；當壓力作用在波紋膜片上時，通過硅油使壓力敏感芯片感受壓力，產(chǎn)生電信號。 １.３ 傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 敏感芯體 Ａ 和敏感芯體 Ｂ 通過電子束焊接與基座連接，首件焊接后需對焊縫進行剖切和金相分析，要求焊縫均勻光滑，焊縫深度不小于 ２ ｍｍ。 電路板通過螺釘固定安裝在基座內(nèi)部的電路板安裝臺階上。 電纜線從束線管處引出，緊線管上方有一個圓孔，與之相對應(yīng)位置處基座有一個螺紋孔，傳感器整機裝配時壓線螺釘從基座螺紋孔旋入向下，穿過緊線管的圓孔向下擠壓住電纜，同時緊線管通過環(huán)氧膠與基座粘接固定。 頂蓋與基座通過螺釘固定。 １.４ 傳感器電路設(shè)計 傳感器溫度補償模塊采用數(shù)字補償技術(shù)對傳感器芯體的輸出信號進行精準補償，將傳感器零點輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到標稱值［４］ 。 本文選用專用溫度補償芯片ＭＡＸ１４５２，包括數(shù)據(jù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換及內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲等功能部分。 芯片采用壓力敏感芯體內(nèi)橋臂電阻檢測出環(huán)境溫度，再經(jīng)過 ＡＤＣ 轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字信號傳輸?shù)綔囟戎甘炯拇嫫�，形成溫度指示指針�?根據(jù)溫度的變化，此指針在內(nèi)部 Ｅ２ＰＲＯＭ查詢表中檢索出對應(yīng)溫度點的校準系數(shù)，通過串行數(shù)據(jù)接口從 Ｅ２ＰＲＯＭ 加載到相應(yīng)寄存器，然后經(jīng) ＤＡＣ轉(zhuǎn)換成模擬量，來修正傳感器輸出信號中滿量程和零點的溫度漂移。 差分處理模塊對兩路溫度補償后的測量信號進行差分處理。 差分處理包括芯體差分、放大和低通濾波等功能。 本文選用儀表放大器 ＡＤ８２２１，該芯片是一款增益可編程、高性能儀表放大器，工作溫度范圍是－40～125℃。 差分處理電路模塊原理如圖 ４ 所示，儀表放大器 ＡＤ８２２１ 的 １ 管腳和 ４ 管腳分別接２路壓力測量信號－ＩＮ 和＋ＩＮ；２ 管腳和３管腳接的電阻ＲＳ設(shè)定放大倍數(shù)，放大倍數(shù) Ｇ 計算公式為 ６ 管腳設(shè)定輸出接地；８ 管腳和 ５ 管腳分別接±１５ Ｖ 電源。 低通濾波電路為 ２ 階有源低通濾波電路，通過設(shè)定電阻Ｒ７、Ｒ８ 和電容 Ｃ１４、Ｃ１５設(shè)定信號截止頻率。
２ 傳感器研制及性能測試 傳感器的理論工作直線如圖 ５ 所示，輸出為－２.５～ ＋２.５Ｖ 的電壓信號，ｐｍａｘ為傳感器滿度壓力值。
圖 ５ 傳感器理論工作直線 室溫溫度下，在活塞式壓力計上對傳感器進行了３ 次正反行程的壓力校準，每次行程的壓力校準點為１１ 個。 示值校準從測量范圍下限開始，按規(guī)定的校準點平穩(wěn)地加負荷，一直到測量范圍的上限（ 稱正行程），然后將上限負荷再向上波動約 ２％時，再回到上限值，此時讀取的輸出值作為反行程的初始值，按原校準點順序回校（稱反行程） 。 傳感器的校準曲線是校準點的平均值連線而成，實際工作直線是根據(jù)由各校準數(shù)據(jù)采取最小二乘法實現(xiàn)，傳感器的工作直線可表示為 式中：ａ 為工作直線的截距（傳感器的零點）；ｂ 為工作直線的斜率（傳感器的靈敏度）。 根據(jù)校準數(shù)據(jù)，可由以下公式求得截距和斜率。
式中：Ｋ 為壓力校準點的數(shù)量； Ｘｉ 為每個校準點的傳感器輸入量（壓力）；Ｙｉ 為每個校準點的傳感器輸出量（校準數(shù)據(jù)）。 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、正壓和負壓滿度輸出電壓、精度、非線性、靈敏度、對稱性等基本指標，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 ３ 可靠性試驗 環(huán)境適應(yīng)性可通過環(huán)境試驗驗證，環(huán)境試驗是將產(chǎn)品或材料暴露到自然或人工力學環(huán)境中，對傳感器在實際中可能遇到的貯存、運輸和使用環(huán)境中的性能進行驗證［５］ 。 根據(jù)某工程使用環(huán)境要求對設(shè)計的傳感器進行了各項試驗，試驗結(jié)果表明產(chǎn)品穩(wěn)定性良好，能夠滿足了使用要求。 壓力傳感器的可靠性試驗包括力學環(huán)境試驗、自然環(huán)境試驗和壽命試驗。 ３.１ 力學環(huán)境試驗 傳感器進行的力學環(huán)境試驗包括振動試驗、模擬運輸試驗、沖擊試驗和過載試驗。 試驗沿產(chǎn)品相互正交的 ３ 個方向進行。 振動試驗和模擬運輸試驗均在感應(yīng)式電動振動臺上進行，沖擊試驗在跌落式?jīng)_擊臺上進行，過載試驗在中型離心機上進行。 試驗方向均沿產(chǎn)品相互正交的 ３ 個方向，試驗過程中傳感器通電測試，傳感器輸出需滿足零點輸出要求，傳感器外觀無損傷。 試驗后檢查傳感器外觀，并在常規(guī)條件（溫度：２０ ℃，濕度：３０％）下加電測試傳感器的零點輸出。 ３.２ 自然環(huán)境試驗 ３.３ 壽命試驗 ４ 結(jié)論 針對工程應(yīng)用中對小型壓差傳感器的使用需求，提出了一種小型壓差傳感器的設(shè)計方案，設(shè)計的傳感器采用雙芯體結(jié)構(gòu)，機械結(jié)構(gòu)簡單；電路采用溫度補償設(shè)計，溫度范圍內(nèi)精度高。 傳感器通過了環(huán)境試驗測試，測試結(jié)果表明該傳感器可以滿足極端環(huán)境的應(yīng)用需求。 參考文獻： ［１］吳凌慧．高溫高壓差傳感器的設(shè)計與特性研究［ Ｄ］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，２０１１． ［２］孫克，呂艷，張東旭．ＳＯＩ 壓力傳感器及其應(yīng)用［Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，２０１０（４）：６１－６４． ［３］劉沁，呂忠鋼，陳艷文．擴散硅壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及封裝工藝研究［Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，１９９６（１０）：１８－１９． ［４］劉鵬，楊學友，楊凌輝，等．基于 ＭＡＸ１４５２ 硅壓力傳感器溫度補償系統(tǒng)的設(shè)計［ Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，２０１０（４）：６１－６４． ［５］王臻，王偉，楊明，等．背壓式硅壓阻壓差傳感器的研制［Ｊ］．導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，２０１６（１）：９８－１０２． |
