壓差傳感器用于伺服系統(tǒng)作動器兩腔壓力差的測量，文中針對高可靠性、高精度、耐高溫、小型化壓差傳感器的應(yīng)用需求，提出了高可靠性壓差傳感器的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行測試，主要包括芯體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)。 該產(chǎn)品采用 ＳＯＩ 硅晶圓材料制作壓力敏感芯片，可在 １５０ ℃ 下正常工作。 傳感器通過性能測試以及環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器能夠滿足實(shí)際使用要求，在150 ℃ 下溫度漂移和靈敏度漂移均小于±０.１％ＦＳ／ ℃ 。

０ 引言

       壓差傳感器是液壓伺服系統(tǒng)中的重要組成部件，傳感器將作動器兩腔壓力的差值信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號送入控制器，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，傳感器的可靠性和精度將直接決定伺服系統(tǒng)能否可靠工作［１］ 。針對某些特殊工程領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃浴⒏呔�度、耐高溫、小型化壓差傳感器的�?yīng)用需求，提出了高可靠性壓差傳感器的設(shè)計(jì)方案，傳感器可穩(wěn)定工作于150 ℃ 高溫。 并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該傳感器的可靠性，滿足實(shí)際工程的使用要求。

１ 傳感器設(shè)計(jì)方案
１.１ 總體設(shè)計(jì)

       針對測量壓力量程要求為±２５ ＭＰａ 壓力，采用 １個(gè)測量壓力差值的芯體無法實(shí)現(xiàn)可靠測量，所以傳感器采用雙芯體結(jié)構(gòu)，通過兩路壓力敏感芯體分別感受高、低壓端的壓力并將其轉(zhuǎn)換成 ２ 路電壓小信號；然后對 ２ 路小信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償，最后兩路信號差分處理，傳感器輸出差值信號。主要包括芯體感壓部分和電路調(diào)理部分。

１.２ 壓力敏感芯體

       敏感芯體是傳感器的核心，功能為將被測介質(zhì)壓力轉(zhuǎn)換為電信號。 為了滿足高溫使用需求，壓力敏感元件采用 ＳＯＩ 芯片。 ＳＯＩ 芯片的結(jié)構(gòu)為襯底硅作為機(jī)械支撐，頂層單晶硅膜用于制造器件，中間的絕緣介質(zhì)作為隔離層，ＳＯＩ 芯片利用硅氧化物實(shí)現(xiàn)敏感電阻之間以及與基片之間的電隔離，替代了傳統(tǒng)的擴(kuò)散硅ＰＮ 結(jié)電隔離技術(shù)，因而具有良好的高溫工作特性［２］ 。

       壓力敏感芯體采用隔離密封的充灌結(jié)構(gòu)［３］ ，如圖２ 所示，主要由芯片、管座、膜片等組成。 敏感芯片采用高溫膠粘貼裝配在耐高溫的金屬管座上；芯片與金屬外引線通過金絲內(nèi)引線連接，該工藝成熟可靠；金屬外引線采用金屬－玻璃封接工藝與管座連接固定，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫性和良好的密封性；不銹鋼波紋膜片隔離敏感芯片和被測介質(zhì)，可避免芯片受介質(zhì)影響；不可壓縮的填充液被真空凈化處理后灌入感壓腔內(nèi)，灌封完成后用封油珠焊接密封充灌油路；當(dāng)壓力作用在波紋膜片上時(shí)，通過硅油使壓力敏感芯片感受壓力，產(chǎn)生電信號。

１.３ 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
       傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以能夠滿足工程應(yīng)用為設(shè)計(jì)原則，尤其針對外形尺寸、重量和高過載能力的要求（應(yīng)能承受 ８０ ＭＰａ 額定壓力），將壓差傳感器設(shè)計(jì)成雙芯體、全固態(tài)、對稱的結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)見圖 ３，主要由頂蓋、基座、電路板、緊線管、高溫電纜等組成。 雙芯體的設(shè)計(jì)能夠滿足測量大壓力的壓差信號，雙芯體經(jīng)過嚴(yán)格的篩選和對稱性選擇后進(jìn)行匹配。

       敏感芯體 Ａ 和敏感芯體 Ｂ 通過電子束焊接與基座連接，首件焊接后需對焊縫進(jìn)行剖切和金相分析，要求焊縫均勻光滑，焊縫深度不小于 ２ ｍｍ。 電路板通過螺釘固定安裝在基座內(nèi)部的電路板安裝臺階上。 電纜線從束線管處引出，緊線管上方有一個(gè)圓孔，與之相對應(yīng)位置處基座有一個(gè)螺紋孔，傳感器整機(jī)裝配時(shí)壓線螺釘從基座螺紋孔旋入向下，穿過緊線管的圓孔向下擠壓住電纜，同時(shí)緊線管通過環(huán)氧膠與基座粘接固定。 頂蓋與基座通過螺釘固定。

１.４ 傳感器電路設(shè)計(jì)
       壓差傳感器的信號輸出為模擬電壓輸出，傳感器電路的設(shè)計(jì)主要分為溫度補(bǔ)償模塊、差分處理模塊和電路保護(hù)模塊。

       傳感器溫度補(bǔ)償模塊采用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)對傳感器芯體的輸出信號進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償，將傳感器零點(diǎn)輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到標(biāo)稱值［４］ 。 本文選用專用溫度補(bǔ)償芯片ＭＡＸ１４５２，包括數(shù)據(jù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換及內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲等功能部分。 芯片采用壓力敏感芯體內(nèi)橋臂電阻檢測出環(huán)境溫度，再經(jīng)過 ＡＤＣ 轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字信號傳輸?shù)綔囟戎甘炯拇嫫�，形成溫度指示指針�?根據(jù)溫度的變化，此指針在內(nèi)部 Ｅ２ＰＲＯＭ查詢表中檢索出對應(yīng)溫度點(diǎn)的校準(zhǔn)系數(shù)，通過串行數(shù)據(jù)接口從 Ｅ２ＰＲＯＭ 加載到相應(yīng)寄存器，然后經(jīng) ＤＡＣ轉(zhuǎn)換成模擬量，來修正傳感器輸出信號中滿量程和零點(diǎn)的溫度漂移。

       差分處理模塊對兩路溫度補(bǔ)償后的測量信號進(jìn)行差分處理。 差分處理包括芯體差分、放大和低通濾波等功能。 本文選用儀表放大器 ＡＤ８２２１，該芯片是一款增益可編程、高性能儀表放大器，工作溫度范圍是－40～125℃。 差分處理電路模塊原理如圖 ４ 所示，儀表放大器 ＡＤ８２２１ 的 １ 管腳和 ４ 管腳分別接２路壓力測量信號－ＩＮ 和＋ＩＮ；２ 管腳和３管腳接的電阻ＲＳ設(shè)定放大倍數(shù)，放大倍數(shù) Ｇ 計(jì)算公式為

６ 管腳設(shè)定輸出接地；８ 管腳和 ５ 管腳分別接±１５ Ｖ 電源。 低通濾波電路為 ２ 階有源低通濾波電路，通過設(shè)定電阻Ｒ７、Ｒ８ 和電容 Ｃ１４、Ｃ１５設(shè)定信號截止頻率。

２ 傳感器研制及性能測試

       傳感器的理論工作直線如圖 ５ 所示，輸出為－２.５～ ＋２.５Ｖ 的電壓信號，ｐｍａｘ為傳感器滿度壓力值。

圖 ５ 傳感器理論工作直線

       室溫溫度下，在活塞式壓力計(jì)上對傳感器進(jìn)行了３ 次正反行程的壓力校準(zhǔn)，每次行程的壓力校準(zhǔn)點(diǎn)為１１ 個(gè)。 示值校準(zhǔn)從測量范圍下限開始，按規(guī)定的校準(zhǔn)點(diǎn)平穩(wěn)地加負(fù)荷，一直到測量范圍的上限（ 稱正行程），然后將上限負(fù)荷再向上波動約 ２％時(shí)，再回到上限值，此時(shí)讀取的輸出值作為反行程的初始值，按原校準(zhǔn)點(diǎn)順序回校（稱反行程） 。 傳感器的校準(zhǔn)曲線是校準(zhǔn)點(diǎn)的平均值連線而成，實(shí)際工作直線是根據(jù)由各校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采取最小二乘法實(shí)現(xiàn)，傳感器的工作直線可表示為

式中：ａ 為工作直線的截距（傳感器的零點(diǎn)）；ｂ 為工作直線的斜率（傳感器的靈敏度）。

根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可由以下公式求得截距和斜率。

式中：Ｋ 為壓力校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量； Ｘｉ 為每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的傳感器輸入量（壓力）；Ｙｉ 為每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的傳感器輸出量（校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）。

       為了滿足伺服系統(tǒng)高測試穩(wěn)定性的要求，對傳感器進(jìn)行性能試驗(yàn)，除了檢查傳感器的靜態(tài)特性，包括零位、正壓和負(fù)壓滿度輸出電壓、精度、非線性、靈敏度、對稱性等基本指標(biāo)，還通過零點(diǎn)漂移、熱零點(diǎn)漂移、熱靈敏度漂移測試驗(yàn)證傳感器的穩(wěn)定性，以保證傳感器在高、低溫的環(huán)境下可以具有良好的工作狀
態(tài)。 傳感器的實(shí)際性能如表 １ 所示，測試表明傳感器具有優(yōu)良的溫度特性。

３ 可靠性試驗(yàn)

       環(huán)境適應(yīng)性可通過環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，環(huán)境試驗(yàn)是將產(chǎn)品或材料暴露到自然或人工力學(xué)環(huán)境中，對傳感器在實(shí)際中可能遇到的貯存、運(yùn)輸和使用環(huán)境中的性能進(jìn)行驗(yàn)證［５］ 。 根據(jù)某工程使用環(huán)境要求對設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明產(chǎn)品穩(wěn)定性良好，能夠滿足了使用要求。 壓力傳感器的可靠性試驗(yàn)包括力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、自然環(huán)境試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)。

３.１ 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

       傳感器進(jìn)行的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)包括振動試驗(yàn)、模擬運(yùn)輸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和過載試驗(yàn)。 試驗(yàn)沿產(chǎn)品相互正交的 ３ 個(gè)方向進(jìn)行。 振動試驗(yàn)和模擬運(yùn)輸試驗(yàn)均在感應(yīng)式電動振動臺上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)在跌落式?jīng)_擊臺上進(jìn)行，過載試驗(yàn)在中型離心機(jī)上進(jìn)行。 試驗(yàn)方向均沿產(chǎn)品相互正交的 ３ 個(gè)方向，試驗(yàn)過程中傳感器通電測試，傳感器輸出需滿足零點(diǎn)輸出要求，傳感器外觀無損傷。

試驗(yàn)后檢查傳感器外觀，并在常規(guī)條件（溫度：２０ ℃，濕度：３０％）下加電測試傳感器的零點(diǎn)輸出。

３.２ 自然環(huán)境試驗(yàn)
       傳感器進(jìn)行的自然環(huán)境試驗(yàn)包括熱真空試驗(yàn)、低氣壓試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、老煉試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。 試驗(yàn)過程中產(chǎn)品在環(huán)境試驗(yàn)箱通電檢測。 試驗(yàn)結(jié)束后， 在常規(guī)條件 （ 溫度： ２０ ℃ ， 濕度： ３０％ ～５０％）下加電測試傳感器的性能指標(biāo)，結(jié)果和試驗(yàn)前的指標(biāo)基本保持一致，說明該傳感器可以經(jīng)受自然環(huán)境試驗(yàn)的考核。 其中傳感器高溫試驗(yàn)溫度為 １５０ ℃ ，保溫時(shí)間 ２ ｈ，試驗(yàn)過程中產(chǎn)品加電測試，零位溫度漂移小于±０.１％Ｆ.Ｓ ／℃ 。

３.３ 壽命試驗(yàn)
       傳感器的壽命試驗(yàn)包括機(jī)械疲勞試驗(yàn)和電氣工作壽命試驗(yàn)。 機(jī)械疲勞試驗(yàn)是將壓差傳感器安裝在專用的壓力疲勞機(jī)上，正負(fù)向同時(shí)加滿度壓力，壓力容差為±１０％，頻率為 １ ～ ２．５ Ｈｚ，疲勞次數(shù)２０ ０００次。電氣工作壽命是在常規(guī)條件（溫度：２０ ℃，濕度：３０％ ～５０％），傳感器通電時(shí)間不小于1000ｈ。 試驗(yàn)結(jié)束后，在常規(guī)條件（溫度：２０ ℃，濕度：３０％ ～５０％）下加電測試傳感器的性能指標(biāo)，結(jié)果和試驗(yàn)前的指標(biāo)基本保持一致，說明該傳感器可以經(jīng)受自然環(huán)境試驗(yàn)的考核。

４ 結(jié)論

       針對工程應(yīng)用中對小型壓差傳感器的使用需求，提出了一種小型壓差傳感器的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)的傳感器采用雙芯體結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單；電路采用溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，溫度范圍內(nèi)精度高。 傳感器通過了環(huán)境試驗(yàn)測試，測試結(jié)果表明該傳感器可以滿足極端環(huán)境的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)：

［１］吳凌慧．高溫高壓差傳感器的設(shè)計(jì)與特性研究［ Ｄ］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，２０１１．

［２］孫克，呂艷，張東旭．ＳＯＩ 壓力傳感器及其應(yīng)用［Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，２０１０（４）：６１－６４．

［３］劉沁，呂忠鋼，陳艷文．?dāng)U散硅壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝工藝研究［Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，１９９６（１０）：１８－１９．

［４］劉鵬，楊學(xué)友，楊凌輝，等．基于 ＭＡＸ１４５２ 硅壓力傳感器溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［ Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，２０１０（４）：６１－６４．

［５］王臻，王偉，楊明，等．背壓式硅壓阻壓差傳感器的研制［Ｊ］．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，２０１６（１）：９８－１０２．

班寧產(chǎn)品匯總