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星用高精度壓力傳感器設(shè)計(jì)介紹了高精度衛(wèi)星壓力傳感器的技術(shù)要求、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和測試結(jié)果。討論了開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案。該傳感器基于硅微壓阻效應(yīng)原理，在電子電路中采用相關(guān)的半導(dǎo)體平面技術(shù)、微加工技術(shù)和信號調(diào)理補(bǔ)償技術(shù)，將壓敏元件和調(diào)理電路集成在殼體內(nèi)。該傳感器具有非線性好、工作溫度范圍寬、耐沖擊過載、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。 衛(wèi)星在飛行中進(jìn)行大量的科研、軍事和民用任務(wù)，密封腔內(nèi)的壓力是保證許多設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。例如，衛(wèi)星攝影和相位系統(tǒng)，如果沒有正常的大氣壓力在地面上，相機(jī)將不清楚。研制了用于密封腔室壓力測量與控制的衛(wèi)星高精度壓力傳感器。它的研制成功，對于打破國外武器封鎖，加快國內(nèi)武器裝備現(xiàn)代化具有現(xiàn)實(shí)意義。 1關(guān)鍵指標(biāo)分析 1.1非線性 非線性是影響傳感器靜態(tài)精度的三大因素之一。為了保證傳感器的高精度，必須對指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。對于小量程壓阻式壓電換能器，壓阻式壓電換能器的非線性應(yīng)在0.5% FS至0.2% FS的范圍內(nèi)。為了保證傳感器的高精度，設(shè)計(jì)了非線性補(bǔ)償，使傳感器的非線性為0。在1% FS范圍內(nèi)。 1.2零漂(穩(wěn)定性) 零點(diǎn)漂移是傳感器短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定性的度量，也是傳感器保證長期測量穩(wěn)定性的前提。只有壓力傳感器的零點(diǎn)漂移指數(shù)足夠小，才能保證對衛(wèi)星密封腔內(nèi)壓力的長期控制精度。在設(shè)計(jì)壓敏元件和調(diào)理電路時(shí)，應(yīng)注意信號的匹配，并注意元件的選擇，以減少輸出漂移。 1.3脈沖過載 該指標(biāo)的需求量很高，為1500g。因此，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)給予保證。 2工作原理 2.1壓敏元件的工作原理 壓敏元件采用壓阻效應(yīng)原理，利用半導(dǎo)體技術(shù)和微加工技術(shù)在半導(dǎo)體單晶硅片上形成惠斯通電橋，將被測壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號。 圖1是惠斯通電橋的原理圖。在由4個(gè)電阻組成的電平行四邊形中，當(dāng)在一組對角點(diǎn)上施加恒流時(shí)，在另一組對角點(diǎn)上靜態(tài)地產(chǎn)生輸出電壓△U，其值由下式給出:
對壓阻式壓力傳感器來講，當(dāng)器件未感受壓力時(shí)，4個(gè)電阻沒有發(fā)生變化 ，傳感器輸出為零位輸出，此時(shí)△U靜 =U0 ．從使用角度講 ，希望越小越好．當(dāng)器件感受壓力時(shí)，電阻R1 、R3，阻值增； R2、R4 阻值減小，因此產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的電信號輸出 △U 靜。
圖 1 惠斯登電橋示意圖 2．2 傳感器工作原理 壓力傳感器是通過其核心部件一壓力敏感元件將壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號即△u靜，然后再通過調(diào)理電路將這個(gè)信號調(diào)理成滿足合同要求的信號引．
(a)方形硅杯電阻分布圖 圖2虛線框內(nèi)的部分是調(diào)理電路。它包括電路保護(hù)、濾波、恒流電源、線性補(bǔ)償、放大等部分，各部分完成了電路的內(nèi)外保護(hù)、干擾濾波、壓敏元件恒流電源和溫度補(bǔ)償、輸出信號線性補(bǔ)償、輸出信號放大等功能。 3總體方案設(shè)計(jì) 3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳感器的整體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)主要組成部分:接頭和外殼。它經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功能齊全。該接頭完成幾種功能:壓敏元件的密封安裝，固定調(diào)理電路板的安裝，全范圍壓力密封試驗(yàn);外殼具有包含傳感器所有內(nèi)部元件、電氣連接安裝和傳感器安裝固定的功能。機(jī)身內(nèi)灌膠，提高殼體的抗振性和抗沖擊性。壓敏元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)傳感器的量程和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行的。壓敏元件的整體結(jié)構(gòu)由壓敏元件外殼、矩形雙島硅膜、外引線、厚膜補(bǔ)償板、襯底、靜電密封底座、內(nèi)引線、保護(hù)膠等組成。傳感器的敏感元件是在單晶硅上形成與傳感器量程相應(yīng)厚度的彈性膜片，然后通過微電子技術(shù)在彈性膜片上形成四個(gè)可變電阻，形成惠斯通電橋。當(dāng)施加壓縮力時(shí)，彈性膜片會發(fā)生變形，形成兩個(gè)正應(yīng)變區(qū)和負(fù)應(yīng)變區(qū)，材料的電阻率也會相應(yīng)發(fā)生變化。換能器的壓力傳感元件是一種工藝好、性能優(yōu)異的方形薄膜。方形膜片布置時(shí)的惠斯通橋電阻及彈性膜片上的應(yīng)力分布如圖3所示。
(b)應(yīng)力分布 3．2 電路設(shè)計(jì) 1)調(diào)理電路原理設(shè)計(jì) 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在保證可靠性和安全性的前提下滿足合同的性能要求。調(diào)理電路包括電路保護(hù)、濾波、恒流供電、線性補(bǔ)償、放大等部分，各部分完成電路的內(nèi)外保護(hù)、干擾動(dòng)濾波、液位(壓力)傳感器恒流供電及溫度補(bǔ)償、線性補(bǔ)償、輸出信號放大等功能。 2)電路板設(shè)計(jì) 在印刷電路板的設(shè)計(jì)過程中，為了減少電子電路的輻射發(fā)射，減少由于電流流經(jīng)電路導(dǎo)線而產(chǎn)生的差膜輻射形成的環(huán)形面積，印刷電路元件的設(shè)計(jì)和處理準(zhǔn)則應(yīng)符合GJB362-96《印刷電路板設(shè)計(jì)與使用》的基本原則和規(guī)定。由于細(xì)而長的回線具有較高的電感，其阻抗隨頻率的增加而增大。為了避免引起阻抗耦合，使用銅箔板和盡可能寬的走線。電源布線時(shí)，在考慮安全條件下，電源線盡量靠近地線，以減少差膜輻射的環(huán)面積，也有助于減少電路的干擾。另外，避免了印制電路板線材的不連續(xù)，走線寬度設(shè)計(jì)無突變，線材無突變角。為了提高傳感器的工藝可靠性，設(shè)計(jì)了印刷電路板與外引線連接，使引線與電路板之間的連接更加可靠。各功能的引線與外部部分的電氣連接可采用雙線連接，以增加可靠性。電子元器件的選用是電子技術(shù)的基礎(chǔ)，其質(zhì)量等級和特性必須滿足設(shè)計(jì)和使用的要求。電路的濾波、接地和屏蔽設(shè)計(jì)是電路板設(shè)計(jì)的一部分。電路的濾波、接地和屏蔽設(shè)計(jì)是針對電磁干擾的三要素，即干擾源、傳播路徑和敏感器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。電路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，使搭接、接地、屏蔽相結(jié)合，使濾波器最能滿足設(shè)計(jì)要求。電路保護(hù)設(shè)計(jì)也是電路板設(shè)計(jì)的一部分。傳感器設(shè)計(jì)本身沒有感應(yīng)元件，無輻射源，內(nèi)部實(shí)行一次性全粘罐密封，不僅增強(qiáng)了傳感器抗沖擊和振動(dòng)的能力，提高了可靠性，而且不會對外部環(huán)境設(shè)備造成危害。傳感器的輸入輸出設(shè)計(jì)有電氣保護(hù)，輸入電源反接，輸出短路和部分電路損壞，輸出大于5.6V小于0.85 v的電壓不會對系統(tǒng)造成損壞。該電路的合理性在產(chǎn)品的實(shí)際飛行中得到了驗(yàn)證。 3.3可靠性設(shè)計(jì) 1)壓敏元件可靠性設(shè)計(jì) 壓敏元件的材料為單晶硅。由于該材料是硬脆材料，在設(shè)計(jì)彈性結(jié)構(gòu)時(shí)必須留有較大的余量，以保證傳感器的可靠性。對于傳感器中使用的壓敏元件的安全性，根據(jù)其工作結(jié)構(gòu)的特殊性，可采用彈性力學(xué)中的強(qiáng)度能理論將膜片可能感受到的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力代入如下公式
求出的等效平均應(yīng)力，當(dāng)?shù)刃?yīng)力小于或接近彈性極限內(nèi)允許的最大應(yīng)力時(shí)，則彈性元件的最大應(yīng)力是可采用的．否則必須重新設(shè)計(jì)．為了保證傳感器具有足夠高的安全性，通常取 d為小于彈性極限的1．5～2倍 ． 2)調(diào)理電路的可靠性設(shè)計(jì) 在滿足需方技術(shù)指標(biāo) 要求的 前提下，簡化設(shè) 計(jì) ，采用精減的 電路 ，用最少的元件 實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。 在設(shè)計(jì)傳感器電路時(shí) ，采用防干擾 和輻射屏蔽設(shè) 計(jì) ，提高了抗強(qiáng)電磁干擾的能力。輸入、輸出端采用 極性、過壓保護(hù)措施，以免 電源接反或輸 出與電源 短路而造成傳感器的損害 ．輸入輸出的電連線與電 路板連 接均有工藝孔 ，與 電連接器連 接盡 量采用單 功能雙線連接 ． 3)結(jié)構(gòu) 可靠性設(shè)計(jì) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 ，采用盡可能 簡單的結(jié)構(gòu)完成 目 標(biāo)要求 ，各連接處及危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)處均進(jìn)行強(qiáng)度校核 ， 并根據(jù)所計(jì)算的應(yīng)力及可靠性應(yīng)力分布理論進(jìn)行 可靠性 預(yù)計(jì) ：根 據(jù) 應(yīng)力強(qiáng) 度 干涉 理論 ，結(jié)構(gòu)件 工作 應(yīng)力為 ，材料強(qiáng)度(如硬鋁抗拉強(qiáng)度 、膠的剪切 強(qiáng)度等)為 ，假設(shè)兩者均服從正態(tài)分布，如圖 4 所示
注:為應(yīng)力的平均值;:為強(qiáng)度均值;為應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差;為強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差。圖4應(yīng)力強(qiáng)度干涉模式 4. 關(guān)鍵技術(shù)研究 4.1增強(qiáng)抗電磁干擾能力的措施 傳感器的形狀和重量已由實(shí)際工程確定，濾波電路必須簡單實(shí)用。本設(shè)計(jì)使傳感器調(diào)理電路直流不獨(dú)立接地(接地)，而是通過高頻電容實(shí)現(xiàn)交流接地，使干擾有了自己的通路，減少了需要增加濾波電路功能的更多元件，實(shí)現(xiàn)了傳感器與系統(tǒng)雙點(diǎn)接地。這樣不僅大大提高了傳感器的抗電磁干擾能力，而且沒有增加更多的元件。該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。 4.2研磨和屏蔽技術(shù) 良好的連接是接地和屏蔽(抗干擾)的保證。在傳感器的設(shè)計(jì)過程中，內(nèi)外共設(shè)計(jì)了7個(gè)重疊點(diǎn)，以保證傳感器與系統(tǒng)的良好重疊。使用屏蔽電纜可以防止不必要的輻射和外部干擾。為了獲得最大的屏蔽效率，要求屏蔽層末端的接地阻抗非常低，即存在非常小的鍵阻。電纜的屏蔽層一端與傳感器的外殼連接，另一端與地連接，屏蔽層外面有絕緣護(hù)套，以保證其屏蔽效果。 4.3非線性補(bǔ)償技術(shù) 非線性補(bǔ)償是通過電阻回路輸出換能器，反饋到壓敏元件的電源端，控制壓敏元件的電源，達(dá)到非線性補(bǔ)償?shù)哪康�。對于正非線性的壓敏元件，恒流源運(yùn)放的反相輸入需要反饋，反之亦然。
c．甲基橙 (5h)
d．剛果紅 (5h) 圖 2 甲基橙和剛果紅的紫外 一可見吸收光譜 2．4 礦化程度 0.01mmol／L甲基橙和 剛果紅 溶液 的初始 TOC 值分別為 15.72mg／L和 45.89mg／L．反應(yīng) 5h后， TOC值分別為 2.75mg／L和 5.23mg／L，TOC去除率 分別為 82．5％和 88．6％，礦化程度較好 ． 3 結(jié) 語 在 Ti／Sn、Sb氧化物陽極的電催化體 系中甲基 橙和剛果紅的色度以很快的速度被完全去除，但礦 化過程緩幔．色度去除一般只經(jīng)過一步反應(yīng)，生色 基團(tuán)遭到破壞即可 ；甲基橙和剛果紅的分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其開環(huán)、斷鏈繁瑣、轉(zhuǎn)化成 co2的過程復(fù)雜且 易受到干擾 ，因而緩慢 ． 參考文獻(xiàn) ： [1] HSIAO Y，NOBE K．Oxidativereactionsofphenolandehloro— benzenewithin setupelectrogeneratedFenton’sreagent[J]． Chem．Eng．Common．，1993，126(1)：97—110． [2] 王玉玲 ，蔡乃才 ，張懷松．降解水中有機(jī)毒物的新型反應(yīng)體 系[J]．高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào) ，2002，23(10)：1969—1973． [3] 李青山，張金朝 ．共沉淀?xiàng)l件對納米 Sb／SnO2粒度和電性能 的影響[J]．應(yīng)用化學(xué)，2002，19(2)：163—167． 班寧產(chǎn)品匯總 |
