摘要：小型共面接口壓差傳感器是一種壓力傳感器，該傳感器主要用于測量和控制兩個油路壓力差。該產(chǎn)品采用SOI硅晶圓材料制作硅壓阻式壓力敏感芯片，敏感元件的工作溫度范圍為-55~300℃，通過雙芯體結(jié)構(gòu)將油路的壓力差信號轉(zhuǎn)換成電信號，再利用精密的信號處理電路，將微弱的電信號進(jìn)行放大處理，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號輸出。
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(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是敏感元件能夠適應(yīng)-55～300℃的工作環(huán)境，是測量和控制執(zhí)行器的油路壓力差的關(guān)鍵組件，通過擴(kuò)展量程、修改結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于其他的類似環(huán)境。
2 壓差傳感器工作原理
壓差傳感器的工作原理選擇擴(kuò)散硅壓阻工作機(jī)理。擴(kuò)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(shù)，它利用擴(kuò)散硅電阻率的壓敏效應(yīng)，構(gòu)成惠斯登電橋的四個擴(kuò)散硅電阻，如圖1所示。
傳感器通過壓力接口感受被測介質(zhì)的壓力信號，并將其傳送給敏感芯片。芯片上的擴(kuò)散硅電阻感受到壓力作用后橋臂電阻發(fā)生相應(yīng)的變化，在激勵電源的作用下，傳感器電阻的變化也就轉(zhuǎn)變成了電信號的變化，設(shè)計專用的信號電路，將獨立的兩個壓力信號差值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jìn)的SOI材料，其制作的壓力敏感芯片是采用體電阻結(jié)構(gòu)，通過絕緣層實現(xiàn)電阻之間的電氣隔離，而不是pn結(jié)隔離，避免了在高溫環(huán)境下反向漏電的急劇增加，從而避免傳感器在高溫環(huán)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(shè) 計
4.1 電路設(shè)計
壓差傳感器的信號輸出為模擬電壓輸出，電路的設(shè)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(diào)制到標(biāo)稱值。原理框圖如圖3。
硅壓阻壓力傳感器信號調(diào)制電路的設(shè)計具有多重功能：
①為了改善溫度特性，信號電路與敏感器件溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)匹配組合，起到傳感器的熱零點漂移和熱靈敏度漂移補(bǔ)償作用，傳感器的補(bǔ)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(diào)制到項目規(guī)定的標(biāo)稱值的“歸一”功能；
③因傳感器的靈敏度和非線性的離散性，差壓電路須分別先調(diào)制兩個敏感器件的輸出信號，再進(jìn)行差分放大，保證差壓傳感器的特征指標(biāo)，即對稱性指標(biāo)。
壓差傳感器的電路設(shè)計原理如圖5所示。
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
壓差傳感器的外形以項目要求為設(shè)計依據(jù)，同時考慮到環(huán)境的適應(yīng)性，進(jìn)行可靠性設(shè)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(yīng)能承受±75 MPa，3倍的額定壓力），將壓差傳感器設(shè)計成雙芯體、全固態(tài)、對稱的結(jié)構(gòu)，利用雙敏感芯片分別測量正負(fù)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(shè)計正是考慮了測量大壓力的壓差信號，經(jīng)過嚴(yán)格的老練篩選和對稱性選擇后，進(jìn)行匹配，再裝配成敏感元件。壓差傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。
4.3 可靠性設(shè)計
首先，壓差傳感器的敏感芯片采用SIMOX結(jié)構(gòu)基片，增強(qiáng)了環(huán)境溫度的適應(yīng)性；結(jié)構(gòu)采用全固態(tài)設(shè)計，增強(qiáng)了傳感器的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性。
其次，在電路中采用精密儀表放大器和熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對傳感器的線性、溫度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)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(jīng)過全溫區(qū)的檢測和應(yīng)力篩選，并經(jīng)過“三防”處理，電路板安裝固定采用灌封強(qiáng)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(shè)計中專門增加了EMC設(shè)計，傳感器外殼封裝實現(xiàn)無縫隙結(jié)構(gòu)，安裝孔間隙采用搭接方法處理，殼體內(nèi)置屏蔽箔片，電纜線屏蔽網(wǎng)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(dāng)?shù)臑V波器件，降低電路的敏感度和濾除干擾。
5 結(jié) 論
該產(chǎn)品通過SOI壓力敏感芯片的制作技術(shù)、耐高溫敏感芯體的封裝技術(shù)、低漂移調(diào)制技術(shù)和雙芯體對稱技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，具有耐高寬溫區(qū)、小型化、抗高過載、抗高沖擊、低漂移、功能強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點，在采用SOI壓力敏感芯片、高溫復(fù)合電極的制作、耐高溫壓力敏感芯體的封裝技術(shù)、低漂移的調(diào)制技術(shù)、小型化對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面有所突破。
通過反復(fù)的試驗證明，壓差傳感器在高溫的條件下可連續(xù)工作1000 h，傳感器的線性指標(biāo)可達(dá)到0.10％FS，遲滯、重復(fù)性達(dá)到0.03％FS，熱零點漂移和熱靈敏度漂移均達(dá)到0.008％FS／℃以上。
