硅压阻（扩散硅）压力传感器(压力变送器）工作原理特点等 | 上海轩烨测控技术有限公司
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硅压阻（扩散硅）压力传感器(压力变送器）工作原理特点等
&&&&&&& 硅压阻式是利用单晶硅的压阻效应制成的。在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，如图3.1所示，作为力&&电变 换器的敏感元件。当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥加激励电源（恒流和恒压），便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的 目的。 　　硅压阻式压力都由3个基本部分组成（图3.2）：①基体，直接承受被测应力；②波纹膜片，将被测应力传递到芯片；③芯片，检测被测应力。芯片是在硅弹性膜片上，用半导体制造技术在确定晶向制作相同的4个感压电阻，将他们连成惠斯通电桥构成了基本的压力敏感元件。
硅压阻式压力传感器(2张)
　 　膜片即是力敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体，所以是压力传感元件的核心部分。在硅膜片上的 背面要用机械或化学腐蚀的方法加工成中间很薄的凹状，称为硅杯，在它的正面制作压阻全桥。如果硅杯是圆形的凹坑，就称为圆形膜片。膜片还有方形、矩形等多 种形式。当存在外加应力时，膜片上各处受到的应力是不同的。4个桥臂电阻在模板上的位置与方向设置要根据晶向和应力来决定。 　　膜片的设计和制作决定了传感器的性能及量程。图3.2所示的是一种充油封装结构，在传感器的波 纹膜片及芯片之间填充了硅油，这种结构的压力传感器目前已相当成熟。量程为0～100kPa至0～60MPa，工作温度为-55℃～125℃，精度为 0.5%～0.1%；能够实现表压、绝压测量。
　　硅压阻式压力传感器的另一种封装形式是将硅应变片用于玻璃粉直接烧结在金属膜片上，构成烧结型 压力传感器。由于该传感器的结构特点，能够将弹性原件与被测介质直接接触，易于小型化，适于动态压力测量。该传感器量程从0～100kPa至 0～80MPa，工作温度为-55℃～125℃，精度为0.5%～0.1%。固有频率从几千赫到几百赫，可用于气流模型试验、爆炸压力测试和发动机动态测 量。
&&&&&& 一般意义上的主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力 参数转变成标准的电信号(如4~20mADC等)， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。
&&&&&& 扩散硅压力的特点：精度高，最高精度可达0.1%FS ，有外部零点及满度调整可选，适合测量低压量程 ， 过载压力强等等。按排行字母分类：|||||||||||||||||||||||||
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低温扩散硅压力传感器定型与实施方案
航空器使用的压力传感器温度范围一般要求-55℃~125℃。目前飞机发动机多使用不带调理电路的传感器，输出为几十mV或几百mV；其他控制系统多采用0~5V输出型压力传感器，为保证产品较高的可靠性，传感器的调理电路使用模拟电路。针对以上应用研制积的低温，主要应用于航空领域，用来测量飞机气路系统、液压传动系统、燃油的压力。
通过项目实现-55℃~125℃压力敏感芯体的试验性生产，突破了扩散硅压力敏感芯体只能在-40℃~125℃范围内工作的限制。要将该压力敏感芯体真正用于传感器，实现-55℃低温扩散硅压力传感器的批量化生产，还需要对敏感芯体的灌油密封工艺进行进一步完善、固化，并解决敏感芯体的温度补偿、封装等技术。
低温压力传感器技术指标
量程：0~5MPa（绝压）；激励：1.5~2mADC；输出：0~100mV；精度：±0.3%FS；热零点漂移：≤0.02%FS/℃；热灵敏度漂移：≤0.02%FS/℃；输入阻抗：（0.9～10）KΩ；输出阻抗：（3～6）KΩ；工作温度范围：-55℃～125℃；
难点及关键技术
稳定性的提高
从已灌封的敏感芯体测试情况看，敏感芯体存在一些不稳定性，主要表现如下：敏感芯体经历一次高低温后，回常温后零点输出不重复，偏差大者达到了1%FS；年稳定性为0.3%FS/年也有待提高，年稳定性的提高需要采用稳定性好的芯片和特殊的封装工艺。
温漂的电阻网络补偿技术
扩散硅压力敏感芯体具有很大的温漂，一般使用恒流源供电，并在恒流源供电的情况下进行热零点漂移和热灵敏度漂移的补偿，补偿的方法为精密电阻网络，这种方法的优点是无需使用温度敏感器件，能够自适应补偿。未经补偿的敏感芯体其热零点漂移大于0.06%FS/℃，热灵敏度漂移大于0.09%FS/℃，经过初次补偿后，热零点漂移可达0.015%FS/℃，热灵敏度漂移可达0.032%FS/℃，从初次补偿的结果看，热灵敏度漂移离指标有一定距离。怎样通过电阻网络来进一步改善补偿的效果成为该项目实施过程中的一个难点。
硅油净化灌充
灌充的硅油要求干净、无气泡、无水，因此在灌充前需对器皿进行清洁干燥，对待充的硅油需进行干燥、抽真空、净化处理。以使制作的传感器具有较高的稳定性和较小的温度系数。该充灌过程涉及的关键工艺参数有：加热温度、高温保持时间、真空度、充灌时间、环境温度、环境湿度。
密封销钉的储能焊接&
焊接密封销钉时要求焊接部位局部热量高，焊接时间短，熔合充分，能够承受传感器额定过载压力的作用。焊接质量直接关系到传感器的可靠性和安全性。焊接的关键参数有焊接电流、脉冲宽度、触点压力、触点位移。
恒流供电下温漂的电阻网络补偿技术
传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移是表征传感器温度性能的主要指标，扩散硅压力敏感芯体具有很大的温度系数，无法直接应用，必须先进行温漂补偿。补偿的主要方法是采用恒流供电，并在恒流供电的基础上利用电阻网络进行补偿。补偿要解决的关键问题是电阻网络的拓扑结构、热零点漂移补偿电阻的阻值、热灵敏度漂移补偿电阻的阻值。
低温压力传感器结构设计
&结构设计如图所示，由基座、敏感芯体、压盖、补偿板、外壳、电连接器等组成。基座上的螺纹用来固定传感器，密封方式为锥面密封。
低温压力传感器电路设计
电路部分主要是对敏感芯体的温度系数、零点偏移、量程偏移进行补偿。补偿均使用精密金属膜电阻。温度系数补偿方法见图所示，Rp和Rs0用来补偿热零点偏移，Rs1用来补偿热灵敏度偏移。零点偏移的补偿采用在桥臂内串联电阻的方法实现。热灵敏度漂移的补偿采用在电桥两端并联电阻进行分流的方法实现。
考虑到一次补偿后，敏感芯体的温漂指标不能满足要求。拟采用二次补偿的方法对补偿后的敏感芯体进行参数获取，使用新的参数对敏感芯体进行再次补偿。
图 补偿原理图
补偿板的设计满足电路补偿的工艺要求，补偿板连接敏感元件的电气连接线，板上预留有补偿电阻固定位置。
压力传感器电路设计
敏感芯体的补偿同低温，调理电路主要由电源极性保护、瞬压抑制、恒流源电路、放大电路和限幅电路构成。该电路的特点是所有器件使用模拟元器件输出可以达到0~5V。该电路主要使用AD580和TLV2264两个元器件，AD580提供2.5V的参考电压，该电压作为TLV2264的输入，R11为电流采样电阻，传感器上的电流大小为2.5V/R11，该电流为浮地电流源。TLV2264另外3个运放构成一个经典的仪表运放，对敏感芯体的差模电压进行放大，输出一个单端的0~5V信号。
图 调理电路原理图
低温压力传感器电路设计
图 工艺流程图
存在的问题及解决措施
为实现批量稳定生产，需对灌油封装工艺进行摸索、完善、固化，而工艺摸索需要反复试验。目前，净化灌油工序采用现有设备实现，仅能进行小批量试验性的生产任务。密封焊接采用外单位协作的方式，存在不确定因素，如半成品在外单位加工时可控性差。
该总体方案确立了项目任务目标，对难点和关键点进行了分析，技术途径和解决方案能够指导项目实施。本文源自，转载请保留出处。
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