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小型共面接口壓差傳感器設計方案及原理簡述[圖]

時間:2018-01-19 10:21:44來源:網(wǎng)絡轉(zhuǎn)載

導語:?小型共面接口壓差傳感器是一種壓力傳感器,該傳感器主要用于測量和控制兩個油路壓力差。該產(chǎn)品采用SOI硅晶圓材料制作硅壓阻式壓力敏感芯片

小型共面接口壓差傳感器是一種壓力傳感器,該傳感器主要用于測量和控制兩個油路壓力差。該產(chǎn)品采用SOI硅晶圓材料制作硅壓阻式壓力敏感芯片,敏感元件的工作溫度范圍為-55~300℃,通過雙芯體結(jié)構將油路的壓力差信號轉(zhuǎn)換成電信號,再利用精密的信號處理電路,將微弱的電信號進行放大處理,實現(xiàn)標準的模擬信號輸出。

1引言

小型共面接口壓差傳感器(以下簡稱壓差傳感器)體積小、安裝緊湊、精度高、可靠性高、環(huán)境適應性強,尤其是敏感元件能夠適應-55~300℃的工作環(huán)境,是測量和控制執(zhí)行器的油路壓力差的關鍵組件,通過擴展量程、修改結(jié)構,可以應用于其他的類似環(huán)境。

2壓差傳感器工作原理

壓差傳感器的工作原理選擇擴散硅壓阻工作機理。擴散硅壓阻式(簡稱硅壓阻)壓力傳感器是壓阻式壓力傳感器中最成熟的技術,它利用擴散硅電阻率的壓敏效應,構成惠斯登電橋的四個擴散硅電阻,如圖1所示。

傳感器通過壓力接口感受被測介質(zhì)的壓力信號,并將其傳送給敏感芯片。芯片上的擴散硅電阻感受到壓力作用后橋臂電阻發(fā)生相應的變化,在激勵電源的作用下,傳感器電阻的變化也就轉(zhuǎn)變成了電信號的變化,設計專用的信號電路,將獨立的兩個壓力信號差值轉(zhuǎn)換成標準的電信號輸出,其原理如圖2所示。

3敏感元件的選擇

本項目研制的壓差傳感器,要求敏感元件的工作溫度范圍為-55~300℃,是一種耐高溫的壓力傳感器。如果采用通常的單晶硅晶圓材料制作敏感芯片,壓差傳感器只能達到125℃的工作溫度,因此必須選用合適的耐高溫的硅晶圓材料。SIMOX材料是一種先進的SOI材料,其制作的壓力敏感芯片是采用體電阻結(jié)構,通過絕緣層實現(xiàn)電阻之間的電氣隔離,而不是pn結(jié)隔離,避免了在高溫環(huán)境下反向漏電的急劇增加,從而避免傳感器在高溫環(huán)境下失效。

綜上所述,確定本項目的硅晶圓材料采用SIMOX材料。

4設計

4.1電路設計

壓差傳感器的信號輸出為模擬電壓輸出,電路的設計采用精密差動放大器線性放大壓力敏感信號,將傳感器零點輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到標稱值。原理框圖如圖3。

硅壓阻壓力傳感器信號調(diào)制電路的設計具有多重功能:

①為了改善溫度特性,信號電路與敏感器件溫度補償網(wǎng)絡匹配組合,起到傳感器的熱零點漂移和熱靈敏度漂移補償作用,傳感器的補償電路見圖4;

②采用精密差動放大器線性放大壓力敏感信號(一般幾十毫伏/5V激勵),將傳感器零點輸出值和滿量程輸出值調(diào)制到項目規(guī)定的標稱值的“歸一”功能;

③因傳感器的靈敏度和非線性的離散性,差壓電路須分別先調(diào)制兩個敏感器件的輸出信號,再進行差分放大,保證差壓傳感器的特征指標,即對稱性指標。

壓差傳感器的電路設計原理如圖5所示。

4.2結(jié)構設計

壓差傳感器的外形以項目要求為設計依據(jù),同時考慮到環(huán)境的適應性,進行可靠性設計,特別是針對對稱性和高過載能力的要求(壓差傳感器極限過載要求應能承受±75MPa,3倍的額定壓力),將壓差傳感器設計成雙芯體、全固態(tài)、對稱的結(jié)構,利用雙敏感芯片分別測量正負壓腔的壓力,其中的芯體是指封裝好敏感芯片的傳感器件。雙芯體的設計正是考慮了測量大壓力的壓差信號,經(jīng)過嚴格的老練篩選和對稱性選擇后,進行匹配,再裝配成敏感元件。壓差傳感器的內(nèi)部結(jié)構見圖6。

4.3可靠性設計

首先,壓差傳感器的敏感芯片采用SIMOX結(jié)構基片,增強了環(huán)境溫度的適應性;結(jié)構采用全固態(tài)設計,增強了傳感器的環(huán)境適應性和穩(wěn)定性。

其次,在電路中采用精密儀表放大器和熱敏電阻網(wǎng)絡技術,對傳感器的線性、溫度等參數(shù)進行調(diào)整。電路中各元器件盡量采用貼片封裝,不使用可動電位器,電路板裝配后再經(jīng)過全溫區(qū)的檢測和應力篩選,并經(jīng)過“三防”處理,電路板安裝固定采用灌封強化措施,具有抗振動、抗沖擊和耐鹽霧、防霉的性能。

另外,在電路的設計中專門增加了EMC設計,傳感器外殼封裝實現(xiàn)無縫隙結(jié)構,安裝孔間隙采用搭接方法處理,殼體內(nèi)置屏蔽箔片,電纜線屏蔽網(wǎng)與殼體連接,電路接地點共點連接方法的綜合使用,屏蔽對傳感器的電磁干擾;在電連接間使用適當?shù)臑V波器件,降低電路的敏感度和濾除干擾。

5結(jié)論

該產(chǎn)品通過SOI壓力敏感芯片的制作技術、耐高溫敏感芯體的封裝技術、低漂移調(diào)制技術和雙芯體對稱技術等關鍵技術,具有耐高寬溫區(qū)、小型化、抗高過載、抗高沖擊、低漂移、功能強和環(huán)境適應性強等特點,在采用SOI壓力敏感芯片、高溫復合電極的制作、耐高溫壓力敏感芯體的封裝技術、低漂移的調(diào)制技術、小型化對稱結(jié)構設計等方面有所突破。

通過反復的試驗證明,壓差傳感器在高溫的條件下可連續(xù)工作1000h,傳感器的線性指標可達到0.10%FS,遲滯、重復性達到0.03%FS,熱零點漂移和熱靈敏度漂移均達到0.008%FS/℃以上

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