1  ZPM410壓差傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

1)測(cè)量范圍： 0～50KPa；

2)基本參數(shù) (1) 激勵(lì)電壓：±10V.DC；(2) 零點(diǎn)輸出：≤0.2 mV；(3) 量程輸出：≥12mV；(4) 絕緣電阻：≥100MΩ/100V.DC。

3)靜態(tài)性能 (1) 準(zhǔn)確度：0.2級(jí)；(2) 非線性：0.2%F.S。

4)環(huán)境性能指標(biāo)要求  (1) 工作溫度：-40℃～100℃；(2) 儲(chǔ)存溫度：-40℃～100℃；(3) 零點(diǎn)漂移：0.05%F.S/h；(4) 熱零點(diǎn)漂移：0.02%F.S/℃；(5) 熱靈敏度漂移：0.02%F.S/℃。

2 設(shè)計(jì)與方案

2.1產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)

ZPM410壓差傳感器量程小，為50KPa差壓，產(chǎn)品零點(diǎn)輸出≤0.2mV，產(chǎn)品滿量程輸出≥12mV，在-40℃～100℃范圍內(nèi)，測(cè)量精度0.2級(jí)，熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移均小于0.02%FS/℃，這對(duì)該產(chǎn)品的綜合性能提出了很高的要求。針對(duì)該產(chǎn)品的使用要求和技術(shù)要求，提出用硅壓阻式傳感器來實(shí)現(xiàn)小量程的差壓測(cè)量。硅傳感器的靈敏度系數(shù)大，完全能滿足該產(chǎn)品的靈敏度要求，但硅壓阻式的溫度性能較差，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)零點(diǎn)補(bǔ)償與高精度的溫度補(bǔ)償。

通過硅平面集成工藝技術(shù)在硅片上制作四個(gè)擴(kuò)散電阻作為應(yīng)力敏感元件，用機(jī)械研磨加各向同性化學(xué)腐蝕方法將硅襯底加工成周邊固支的平膜片彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)。四個(gè)力敏電阻，連成惠斯頓全橋應(yīng)變電路，這種電路具有最高的靈敏度、最好的溫度補(bǔ)償性能和最高的輸出線性度。硅杯受到一個(gè)差值壓力，力敏電阻的電阻率改變，引起電阻阻值改變。電阻率的改變是由于硅膜片的形變引起的，測(cè)試端P1與引壓端P2的壓力差與硅膜片的形變成正比，也就是電橋的輸出與壓力差成正比。

2.2壓敏芯片的設(shè)計(jì)

為使用傳感器的線性度滿足0.02%的要求，限制硅膜片上最大應(yīng)變（50KPa壓強(qiáng)時(shí)）不超過200με的微應(yīng)變。在本項(xiàng)目中，考慮到傳感器要求正、反向≥150KPa的過載，設(shè)計(jì)平膜片時(shí)，將量程設(shè)計(jì)為100KPa，通過降量程使用進(jìn)行50KPa的壓力測(cè)量，從而確保傳感器在高過載下正常工作。通過對(duì)光刻版圖的合理設(shè)計(jì)，將4個(gè)壓敏電阻進(jìn)行合理布局，利用平膜片中心和邊緣最大的正負(fù)應(yīng)力構(gòu)成電橋，從而獲得高的靈敏度。

2.3傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)楫a(chǎn)品是微量程差壓測(cè)試，為方便安裝，測(cè)試壓力端與外引線在軸線方向，將參考?jí)毫Χ嗽O(shè)計(jì)與測(cè)試壓力端垂直。引壓端口安裝尺寸根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為減輕重量，采用鋁材。為保護(hù)產(chǎn)品滿足高強(qiáng)度的振動(dòng)要求，在產(chǎn)品上將敏感元件進(jìn)行集成封裝，然后再在整體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行抗振處理。如通過螺紋膠對(duì)所有連接部位進(jìn)行緊固。

2.4傳感器的補(bǔ)償設(shè)計(jì)

理論上，電阻布局設(shè)計(jì)、制造工藝都力求保證四個(gè)橋臂電阻的阻值匹配、阻值的溫度系數(shù)匹配，但由于制造工藝中光刻、制版、擴(kuò)散等工藝的偏差，實(shí)際上，同一工藝制作下的四個(gè)橋臂電阻阻值和溫度系數(shù)不可能完全一致，從而使傳感器有一個(gè)初始的零點(diǎn)輸出和一定的溫度誤差，這個(gè)誤差超過要求值，就必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。本項(xiàng)目產(chǎn)品中，傳感器要求的初始零點(diǎn)≤0.2mV，而且在-40℃～100℃的溫度范圍內(nèi)熱零點(diǎn)與熱量程漂移均≤0.02%FS/℃。對(duì)硅壓阻式傳感器，必須通過高精度的補(bǔ)償，才能達(dá)到這個(gè)要求。

1）零點(diǎn)補(bǔ)償

無論是恒壓源還是恒流源供電，傳感器橋路平衡的條件都是對(duì)臂電阻的乘積相等。傳感器的零點(diǎn)補(bǔ)償就是保證對(duì)臂電阻的乘積相等。采用在橋路中串接一個(gè)精密電阻，可以精確補(bǔ)償傳感器的零點(diǎn)。

2）零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償

無論是恒壓源還是恒流源供電，要減小傳感器熱零點(diǎn)漂移，就必須使對(duì)臂電阻的乘積相等的前提下，對(duì)臂電阻的電阻溫度系數(shù)之和相等，或者對(duì)臂電阻之乘積與其電阻溫度系數(shù)之和的乘積與另一對(duì)臂的相等。通過在橋臂電阻上并聯(lián)一個(gè)阻值很大但溫度系數(shù)不一樣的薄膜電阻來改變橋臂電阻的溫度系數(shù)，從而達(dá)到溫度系數(shù)的匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的零點(diǎn)溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。通過測(cè)試傳感器的初始零點(diǎn)及其在溫度上限、下限時(shí)的輸出，求算出溫漂與零點(diǎn)的補(bǔ)償位置與補(bǔ)償大小，對(duì)傳感器的零點(diǎn)與零點(diǎn)溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。

2. 5工藝設(shè)計(jì)

ZPM410差壓傳感器的工藝重點(diǎn)在敏感芯片的封裝工藝，設(shè)計(jì)了全密封封裝結(jié)構(gòu)對(duì)敏感芯片進(jìn)行保護(hù)。ZPM410型壓差傳感器芯片進(jìn)行獨(dú)立封裝，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  傳感器芯片封裝結(jié)構(gòu)示意圖

壓阻式壓力傳感器的封裝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于保證密封、應(yīng)力小、抗振等。封裝結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)上采用以下幾點(diǎn)：

1）因?yàn)闇y(cè)試量程小，采用粘接技術(shù)，將硅杯通過環(huán)氧膠與外殼固粘，硅杯的正壓端通過一個(gè)Φ2的小孔與測(cè)試壓力相連。

2）硅杯的負(fù)壓端嵌入金屬保護(hù)層，只通過一個(gè)Φ2mm小孔與參考端壓力相通。

3）采用漆包線壓焊技術(shù)，將內(nèi)引線通過引線柱外引出。

4）引線柱與外殼燒結(jié)成一體，抗振動(dòng)性強(qiáng)。

5）硅杯電阻端與外殼、引線柱、金屬保護(hù)層之間通過灌充硅膠，形成一體結(jié)構(gòu)，同時(shí)，對(duì)電阻起保護(hù)作用，保證測(cè)量精度。

2.6方案確定

課題組前述的方案設(shè)計(jì)，澤天傳感有關(guān)專家對(duì)方案進(jìn)行了評(píng)審。評(píng)審形成了以下幾點(diǎn)主要意見：

1）用擴(kuò)散硅壓阻式傳感器進(jìn)行微量程差壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過高精度的零點(diǎn)補(bǔ)償、零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償、量程溫漂補(bǔ)償?shù)目傮w方案可行。

2）敏感芯片的制作工藝是重點(diǎn)，要進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)與質(zhì)量把關(guān)，對(duì)所用的材料性能要進(jìn)行前提試驗(yàn)。

3）對(duì)于硅壓阻式微差壓傳感器，溫漂的補(bǔ)償要有備選方案。通過多種補(bǔ)償手段相結(jié)合來保證溫漂滿足設(shè)計(jì)要求。

4）在補(bǔ)償方案上，由于外串零點(diǎn)補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于擴(kuò)散橋臂電阻的溫度系數(shù)，將給橋路引入較大的溫度系數(shù)，考慮在膜片的非應(yīng)變區(qū)設(shè)計(jì)一些電阻網(wǎng)絡(luò)，串入橋臂電阻中，通過對(duì)補(bǔ)償電阻的選取，來補(bǔ)償橋路的零點(diǎn)。因?yàn)檠a(bǔ)償電阻與橋臂電阻具有相同的溫度系數(shù)，進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)，不影響溫度漂移。

5）然后通過對(duì)各種硅凝膠進(jìn)行比對(duì)，盡量選用進(jìn)口雙組分硅凝膠對(duì)硅杯進(jìn)行封裝，保證在環(huán)境溫度改變很大時(shí)，內(nèi)應(yīng)力很小，不影響引線絲與硅杯性能。

2.7方案的先進(jìn)性和正確性、實(shí)施的可行性

采用硅壓阻式傳感器，實(shí)現(xiàn)微量程的差壓測(cè)量，保證輸出靈敏度達(dá)設(shè)計(jì)要求。再通過先進(jìn)的串接電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)和零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償。采用外串熱敏電阻對(duì)靈敏度溫漂進(jìn)行有效補(bǔ)償。芯片的全密封結(jié)構(gòu)提高抗振性能與可靠性能。該方案正確有效，具有可執(zhí)行性。澤天傳感有先進(jìn)的傳感器生產(chǎn)、科研設(shè)備，有多年的傳感器設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上研究微量程壓差傳感器，基本無技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品研究涉及的材料可通過協(xié)作研究或定制獲得，無其他不可預(yù)見的原材料和關(guān)鍵技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3  研制過程

用戶在研制過程中，要求壓差傳感器結(jié)構(gòu)小，傳感信號(hào)輸出配放大電路放大到0.5V～5V的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。制備能在-40℃～100℃下準(zhǔn)確測(cè)量50KPa壓力的敏感芯片，進(jìn)行獨(dú)立封裝，并從傳感器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)小量程、高過載（正反向150KPa）的壓差傳感器。針對(duì)硅敏感芯片的制作與封裝，進(jìn)行選材試驗(yàn)、封裝材料與引線柱的燒結(jié)試驗(yàn)等，確定最終的設(shè)計(jì)方案，按照設(shè)計(jì)方案成功制造出功能齊全的產(chǎn)品，再針對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求的差距和主要工藝實(shí)施問題，分析原因，改進(jìn)設(shè)計(jì)。研制分兩方面。一方面從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得0.2級(jí)精度的微差壓敏感芯片。另一方面進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，將傳感器輸出信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)的0.5V～5V信號(hào)。經(jīng)測(cè)試，產(chǎn)品的常溫性能在-40℃～100℃滿足技術(shù)協(xié)議要求的0.2級(jí)精度，產(chǎn)品的溫漂也符合技術(shù)協(xié)議要求。

4  關(guān)鍵工藝技術(shù)

4.1同材質(zhì)薄膜補(bǔ)償電阻的設(shè)計(jì)

由于制造工藝中光刻、制版、擴(kuò)散等工藝的偏差，實(shí)際上，同一工藝制作下的四個(gè)橋臂電阻阻值和溫度系數(shù)不可能完全一致，使傳感器有一個(gè)初始的零點(diǎn)輸出和一定的溫度誤差。由于擴(kuò)散電阻對(duì)溫度很敏感，溫度系數(shù)大，隨著溫度越高或越低，非線性也越嚴(yán)重，所以，一般產(chǎn)品很難保證在-25℃以下或85℃以上的溫度下有高的測(cè)量精度和小的零點(diǎn)溫漂或量程溫漂。

橋路的初始不平衡可以通過串接或并接外電阻進(jìn)行補(bǔ)償。由于串接的電阻為精度合金電阻，溫度系數(shù)基本為正的，而半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)為負(fù)的，所以，對(duì)橋路進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償會(huì)更加增大傳感器的零點(diǎn)溫漂。對(duì)傳感器進(jìn)行溫漂補(bǔ)償時(shí)，不能采用一般的正溫度系數(shù)的精密合金電阻，只能采用負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體熱敏電阻，而這種電阻在寬的環(huán)境溫度下，溫度系數(shù)的非線性也很大，對(duì)擴(kuò)散硅傳感器進(jìn)行高精度溫漂補(bǔ)償很難，非線性也較差。

針對(duì)這種情況，在本項(xiàng)目中，從敏感芯片的工藝與版圖設(shè)計(jì)上就考慮了傳感器的零點(diǎn)補(bǔ)償與溫漂補(bǔ)償。在傳感器的非應(yīng)變區(qū)設(shè)計(jì)一系列與橋臂電阻同材質(zhì)、同工藝的補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)，通過補(bǔ)償電阻阻值的選取，串接入橋路中，對(duì)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償。通過四個(gè)電阻所帶補(bǔ)償電阻的組合，內(nèi)阻或者外阻可以補(bǔ)償?shù)碾娮璺秶?，是橋臂電阻?.3‰～44‰，這個(gè)范圍能滿足90%的傳感器的零點(diǎn)補(bǔ)償，而且補(bǔ)償?shù)木冗_(dá)0.7‰。經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，對(duì)傳感器用10V恒壓供電時(shí)，橋路的零點(diǎn)輸出基本能控制在±2000μV范圍內(nèi)。

4.2激光修正工藝的設(shè)計(jì)

通過薄膜補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)的組合，可以將傳感器的零點(diǎn)控制在±2000μV范圍內(nèi)，但傳感器的零點(diǎn)輸出要求滿足±500μV要求。而且傳感器經(jīng)過高低溫、加載疲勞、長期的零點(diǎn)時(shí)漂后，還要保證輸出在±500μV內(nèi)，這需要在傳感器的裝配、調(diào)試過程中反復(fù)補(bǔ)償。僅通過電阻組合或外并電阻補(bǔ)償，工藝調(diào)試量大，也很難準(zhǔn)確到位。在本項(xiàng)目中，加入了先進(jìn)的激光調(diào)阻工藝，對(duì)電阻條的阻值進(jìn)行修正。激光調(diào)阻示意圖如圖2。

圖2 激光調(diào)阻示意圖

聚焦的激光束修正電阻條的線寬，電阻通過激光可以對(duì)電阻柵條的寬度進(jìn)行微量調(diào)整，從而電阻的阻值進(jìn)行微量調(diào)整，修正值偏差±0.1Ω，使電橋阻值滿足R1·R3 =R2·R4的關(guān)系（R1、R3為內(nèi)阻， R2、R4為外阻）。通過激光能量大小、步進(jìn)速度、束斑大小等參數(shù)的調(diào)整，可以調(diào)節(jié)傳感器的零點(diǎn)在±100μV。經(jīng)過過程老化及后期裝配，保證傳感器的最終零點(diǎn)滿足協(xié)議要求。

5 結(jié)語

通過先進(jìn)工藝制作的高精度、小量程硅壓阻敏感芯片來進(jìn)行微壓差50KPa的測(cè)量；通過制作同材質(zhì)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行零點(diǎn)初步補(bǔ)償，激光調(diào)阻工藝進(jìn)行零點(diǎn)精確修正，保證產(chǎn)品的輸出零點(diǎn)為0±0.2mV。通過制作不同溫度系數(shù)的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行零點(diǎn)溫漂、靈敏度溫漂補(bǔ)償，保證傳感器的溫漂≤0.02%FS/℃。通過全封裝敏感芯片設(shè)計(jì)和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證傳感器有高的抗振性能。ZPM410型壓差傳感器具有靈敏度高，零點(diǎn)誤差與溫漂誤差小，使用溫度范圍寬，測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。由于壓阻式傳感器的溫漂補(bǔ)償難，進(jìn)一步拓寬傳感器的使用溫度范圍，提高測(cè)試精度是今后的工作重點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)用戶要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量與抗高強(qiáng)振動(dòng)前提下，盡量減小產(chǎn)品的質(zhì)量。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。