小型共面接口压差传感器
金琦，李长春，杨 勇，刘宏伟，孙 克
(沈阳仪表科学研究院，沈阳 110043)
1 引言
小型共面接口压差传感器(以下简称压差传感器)体积小、安装紧凑、精度高、可靠性高、环境适应性强，尤其是敏感元件能够适应-55～300℃的工作环境，是测量和控制执行器的油路压力差的关键组件，通过扩展量程、修改结构，可以应用于其他的类似环境。
压差传感器的工作原理选择扩散硅压阻工作机理。扩散硅压阻式(简称硅压阻)压力传感器是压阻式压力传感器中最成熟的技术，它利用扩散硅电阻率的压敏效应，构成惠斯登电桥的四个扩散硅电阻，如图1所示。
传感器通过压力接口感受被测介质的压力信号，并将其传送给敏感芯片。芯片上的扩散硅电阻感受到压力作用后桥臂电阻发生相应的变化，在激励电源的作用下，传感器电阻的变化也就转变成了电信号的变化，设计专用的信号电路，将独立的两个压力信号差值转换成标准的电信号输出，其原理如图2所示。
3 敏感元件的选择
本项目研制的压差传感器，要求敏感元件的工作温度范围为-55～300℃，是一种耐高温的压力传感器。如果采用通常的单晶硅晶圆材料制作敏感芯片，压差传感器只能达到125℃的工作温度，因此必须选用合适的耐高温的硅晶圆材料。SIMOX材料是一种先进的SOI材料，其制作的压力敏感芯片是采用体电阻结构，通过绝缘层实现电阻之间的电气隔离，而不是pn结隔离，避免了在高温环境下反向漏电的急剧增加，从而避免传感器在高温环境下失效。
综上所述，确定本项目的硅晶圆材料采用SIMOX材料。
4 设 计
4.1 电路设计
压差传感器的信号输出为模拟电压输出，电路的设计采用精密差动放大器线性放大压力敏感信号，将传感器零点输出值和满量程输出值调制到标称值。原理框图如图3。
硅压阻压力传感器信号调制电路的设计具有多重功能：
①为了改善温度特性，信号电路与敏感器件温度补偿网络匹配组合，起到传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移补偿作用，传感器的补偿电路见图4；
②采用精密差动放大器线性放大压力敏感信号(一般几十毫伏／5 V激励)，将传感器零点输出值和满量程输出值调制到项目规定的标称值的“归一”功能；
③因传感器的灵敏度和非线性的离散性，差压电路须分别先调制两个敏感器件的输出信号，再进行差分放大，保证差压传感器的特征指标，即对称性指标。
压差传感器的电路设计原理如图5所示。
4.2 结构设计
压差传感器的外形以项目要求为设计依据，同时考虑到环境的适应性，进行可靠性设计，特别是针对对称性和高过载能力的要求(压差传感器极限过载要求应能承受±75 MPa，3倍的额定压力)，将压差传感器设计成双芯体、全固态、对称的结构，利用双敏感芯片分别测量正负压腔的压力，其中的芯体是指封装好敏感芯片的传感器件。双芯体的设计正是考虑了测量大压力的压差信号，经过严格的老练筛选和对称性选择后，进行匹配，再装配成敏感元件。压差传感器的内部结构见图6。
4.3 可靠性设计
首先，压差传感器的敏感芯片采用SIMOX结构基片，增强了环境温度的适应性；结构采用全固态设计，增强了传感器的环境适应性和稳定性。
其次，在电路中采用精密仪表放大器和热敏电阻网络技术，对传感器的线性、温度等参数进行调整。电路中各元器件尽量采用贴片封装，不使用可动电位器，电路板装配后再经过全温区的检测和应力筛选，并经过“三防”处理，电路板安装固定采用灌封强化措施，具有抗振动、抗冲击和耐盐雾、防霉的性能。
另外，在电路的设计中专门增加了EMC设计，传感器外壳封装实现无缝隙结构，安装孔间隙采用搭接方法处理，壳体内置屏蔽箔片，电缆线屏蔽网与壳体连接，电路接地点共点连接方法的综合使用，屏蔽对传感器的电磁干扰；在电连接间使用适当的滤波器件，降低电路的敏感度和滤除干扰。
5 结 论
该产品通过SOI压力敏感芯片的制作技术、耐高温敏感芯体的封装技术、低漂移调制技术和双芯体对称技术等关键技术，具有耐高宽温区、小型化、抗高过载、抗高冲击、低漂移、功能强和环境适应性强等特点，在采用SOI压力敏感芯片、高温复合电极的制作、耐高温压力敏感芯体的封装技术、低漂移的调制技术、小型化对称结构设计等方面有所突破。
通过反复的试验证明，压差传感器在高温的条件下可连续工作1000 h，传感器的线性指标可达到0.10％FS，迟滞、重复性达到0.03％FS，热零点漂移和热灵敏度漂移均达到0.008％FS／℃以上。
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