國外生產壓阻式壓力傳感 器和變送器的公司有很多。技術起步較早的有美國的ENTRAN公司和ENDEV— CO公 司。尤其是ENDEVCO公司 ，以微機械加工技術研 制了多種硅雙島壓力傳感器 ，并廣泛應用于航空、航天動壓試驗 。目前以生產“不銹鋼膜片隔離型”壓阻式壓 力 傳感器為代表性的公 司有：美國 ICSensors公 司、美國 NOVA公司 、美國SENSYM公司和瑞士KELLER公司 ， 其典型產品性能為 目前世界領先水平。到 目前為止 ，國 產壓力傳感器在 國內僅占需求量的20％左右 ，而以美國為首的諸多國外公司在發展了 “不銹鋼膜片 隔離型”壓阻式壓力傳感器后，便開始大力開拓中國市場，占據了國內需求量的70％一8O％。國內從事生產 民品壓阻式 壓力傳感器的主要廠家(公司)有寶雞麥克公司、蚌埠庫利特公司和沈陽儀器儀表工藝研究所 ，現在已有的“不銹 鋼膜片隔離型”壓阻式壓力傳感器 ，外型尺寸單一 ，技術指標偏低 ，溫度穩定性差 ，只能用于工業或民用 ，而且產量低、品種不全，尚未形成系列化、標準化 ，不能滿足國內市場需求。

      該傳感器采用MEMS技術和半導體微機械加工工藝，靜電封裝工藝和真空注油工藝制成。感壓膜片為316不銹鋼 ，使被測介質與敏感元件隔離，結構堅固、性能穩定 、具有廣泛的介質兼容性等優點。采用微型全焊接結構 ，其輸出信號經放大處理 電路轉換成標準(0～5) V的電壓信號。該傳感器還具有精度高，穩定性好 ，小尺寸抗振動 、沖擊等特點 ，可以廣泛用于石油 、冶金 、化工 、 航空、航天 、武器裝備等領域壓力的測量和控制。

1 工作原理

      單晶硅材料在受到力的作用后，其 電阻率要發生變 化，而且在不同的晶向上電阻率的變化不同。傳感器的敏 感元件就是利用單 晶硅的壓阻效應原理制成的，在單晶硅 上形成一個與傳感器量程相應厚度的彈性膜片，采用微電 子工藝在彈性膜片上形成四個應變 電阻，組成一個惠斯通 電橋。當壓力作用后 ，彈性膜片就會產生變形 ，形成正、負兩個應變區，材料的電阻率就要發生相應的變化 。通過合理的設計 ，使得當單晶硅片受到壓力作用時，電橋一個對臂的兩個電阻阻值增大，另一個對臂上的兩個電阻阻值減小 ，這樣 ，在一定電源激勵下，電橋的輸出端就會輸出一個與被測壓力成一定比例關系的電壓信號。

2 方案設計

      根據傳感器的技術指標和外型尺寸要求 ，方案采用硅壓阻式雙島結構、具有隔離膜片的傳感器敏感芯體 ，并附以信號放大和調理電路來實現壓力傳感器的功能。 

2.I 敏感芯體設計 

      雙島形硅杯就是用單晶硅材料制作的一個周邊固支且中心有兩個硬島的薄膜片 ，然后在其上特定的位置擴散四個力敏電阻，再通過金屬互連形成一個惠斯通電橋 。 當彈性膜片受到均勻的流體壓力作用時 ，電橋一個對臂的兩個電阻阻值增加 ，另一個對臂的兩個電阻阻值減小 ， 在恒定電流供 電的情況下 ，電橋的輸出與膜片所受的壓力成正比。

圖 1 等效電路

      對于傳統的c型硅杯結構 ，其兩對力敏電阻通常為縱向受拉或縱向受壓，它們的非線性值比橫向受拉或受壓時要小，但符號相同 ，使非線形增加。對于矩形雙島硅膜結構 ，兩對力敏電阻分別位于雙島之間的中央溝槽和島與邊框之間的邊緣溝槽表面，對這種雙島結構的應力分析表明，由于槽寬比槽長小得多 ，故這些應力主要是橫向應力。當其正面受壓時，P型電阻R所在的邊緣溝槽上表面受拉伸應力 ，而R所在的中央溝槽 上表面受壓縮應力。這時 R 和 R 的非線性符號相反而數值相近 ，故可實現非線性補償 。

      根據以上分析，我們將四個應變電阻 中兩個設計在膜片中心溝槽內，兩個分別設計在兩旁的邊緣溝槽內，這樣它們一對感受壓應力 ，另一對感受張應力 ，可以獲得最大的靈敏度 ，并且還能進行非線性補償。在設計中，為了提高傳感器的性能 ，應使四個電阻的長、寬相等 ；所受應力相等；摻雜濃度相等。這樣可以減小傳感器的零點溫度漂移。

      采用靜電封接的方法 ，將雙島形硅杯和玻璃基座在真空中封接在一起 ，使硅杯內部形成一個真空參考壓力腔。采用不銹鋼波紋膜片進行隔離封裝 ，在芯片與不銹鋼膜片的腔體內充滿硅油 ，以實現從波紋膜片到硅油、芯片的壓力傳遞 。

圖 2 敏感芯體結構圖

2.2 溫度補償 

      擴散硅壓阻式傳感器以其高的靈 敏度輸出，動態響應好，測量精度高 ，穩定性好 ，易于小型化和批量生產等優點得到了廣泛的應用，但擴散硅壓阻式傳感器受到環境溫度影響，會產生很大的零點和靈敏度漂移 ，這大大地限制了它的應用 ，所以采取適當的溫度補償措施是十分重要的。主要采取了以下幾種減小溫度漂移的措施：

(I)敏感元件制作擴散工藝中，采用離子注人方法進行摻雜，以盡量減小四個敏感電阻阻值和溫度系數差異；

(2)適當提高擴散 電阻條的摻雜濃度，少量犧牲靈敏度以降低擴散電阻的溫度系數和靈敏度溫度系數；

(3)選擇合適的與硅材料膨脹系數相近 的玻璃基座材料 ，以減小與玻璃基座連接產生的熱應力 ；

(4)擴散硅片與玻璃基座的連接采用靜電封接工藝 ，此工藝不但可以將硅片與玻璃可靠連接 ，而且由于兩者的接合不用任何添加材料，消除了添加材料隨溫度變化產生的老化、滯后等效應。

(5)采用了外電路串并聯電阻兩點補償方法對傳感器的零點和靈敏度進行了溫度補償。補償電路如圖3所示。

      測量每一個敏感芯體在不同溫度下的零點輸 出，根據每一個敏感芯體零點溫漂的具體數值 ，選取不同的串并聯電阻R、R ，將傳感器的熱零點漂移降低到指標要求的數值。

圖 3 傳感器溫度補電路圖

2.3 信號調理電路設計 

      由于要求傳感器應具有 (0～5)V的直流電壓輸出， 而敏感芯體的輸出只有幾十毫伏 ，因此必須對敏感芯體的輸 出信號進行放大處理。信號處理電路實際上包括兩 個方面的設計 ，一是 敏感芯體供 電電路的設計 (恒流源設計 )，二是放大電路的設計 。

2．3．1 恒流源設計 

      由于橋臂電阻R對溫度敏感，隨溫度升高阻值增 大 ，而靈敏度隨溫度升高而下降，因此恒流源供 電對溫漂 具有補償作用。該傳感器采用電壓一電流轉換形式恒流源 ，傳感器敏感元件的惠斯通電橋置于集成運算放大器的反饋回路，如圖4所示。其中z為高精度基準電壓源， R 、R 為分壓電阻，R用于調整電流的大小。

圖 4 恒流源電路原理圖

2．3．2 放大電路設計 

      電路設計采用如圖5所示的信號處理電路 。

圈 5 傳感器信號處理電路圖

        在印制電路板的設計過程中，為了減少電子電路的輻射發射 ，應當減少由于電流流過 電路導線形成差膜輻 射 的環 面積，尤其是數字電路的環面積。 由于細而長的回導線呈現高電感 ，其阻抗隨頻率增加而增加 。為了避免引起阻抗耦合 ，使用銅箔板和盡可能寬的跡線。 電源布線 ，在考慮安全條件下 ，電源線盡可能地靠近了地線 ，以減少差膜輻射的環面積 ，也有助于減少電路的交擾 。此外 ，避免了印制電路版導線的不連續性，跡線寬度不要 突變，導線不要突然拐角 。

3 測試結果與分析

       對經工藝考核的產 品 ，按照相應的超小型壓力傳感器規定的條件和方法進行 了性能測試，產品各項指標全部滿足要求 。主要性能指標測試結果見表1。

表 1 主要性能指標測試結果

        該傳感器投產兩批用于性能測試，每批生產3只，共計6只。經全過程工藝考核，其合格率達到100％。考核結果表明，產品設計合理 、工藝設計可行，具有可操作 性 ，能夠滿足批量 生產的要求 。

4 結束語

        超小型壓力傳感器(以下簡稱傳感器)是利 用單晶 硅的壓阻效應原理 ，采用先進的半導體平面工藝 、微機械加工工藝 、溫度補償及 固態集成工藝制造 的。產品在制作過程中經過嚴格的工藝檢驗和環境性能試驗。從社會效益來看，該傳感器的應用研究 ，為實現我國武器裝備 國 產化水平的提高奠定 良好 的基礎 。根據該傳感器的特 點，使該傳感器在很多應用領域得以推廣 ，成為航空、航天壓力測量領域的更新換代產 品。且該傳感器體積小、 重量輕，適用與對體積和重量有特殊要求的領域 。

參考文獻

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