雙冗余濺射薄膜壓力傳感器設(shè)計及性能分析

【摘 要】我國航天飛行器和宇航員專用的一些特殊的傳感器，部分需要進口，例如宇航服專用的能輸出兩路壓力信號的傳感器，為了替代國外進口件，滿足我國航天科技在快速提升過程中對特種元器件的需求。為此，我們利用周邊固支彈性膜片的應(yīng)力-應(yīng)變原理，設(shè)計和制作了符合用戶要求的性能良好的雙冗余壓力傳感器，實現(xiàn)了大量程雙冗余壓力傳感器的國產(chǎn)化。

【關(guān)鍵詞】雙冗余，壓力傳感器，薄膜應(yīng)變計，彈性元件

引言：

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，更多先進的新技術(shù)、新工藝得到了迅速的發(fā)展和普及應(yīng)用。但是，在高性能元器件方面，我國與國外技術(shù)發(fā)達國家相比，仍有較大的差距，如用于航天服上氣瓶壓力監(jiān)測的35MPa大量程雙冗余壓力傳感器，由于國內(nèi)沒有現(xiàn)成的成熟產(chǎn)品和技術(shù)，只能用兩只傳感器進行代替，增加了航天服的成本、體積和重量，降低了航天飛船的資源運載能力。

冗余設(shè)計技術(shù)是提高產(chǎn)品可靠性水平的有效設(shè)計技術(shù)之一，能以最小的代價最大限度的提高產(chǎn)品的可靠性。常見的冗余技術(shù)有硬件冗余和解析冗余。為此，應(yīng)用冗余設(shè)計技術(shù)，在不顯著增加成本、體積、重量和信息計算量的前提下，實現(xiàn)壓力傳感器的雙冗余功能，研制出性能優(yōu)越的雙冗余濺射薄膜壓力傳感器。

我們利用離子束濺射薄膜技術(shù)，在周邊固支圓膜片上制作了兩個薄膜應(yīng)變計，經(jīng)內(nèi)外引線形成兩個惠斯通全橋，研制出了性能指標優(yōu)于進口產(chǎn)品（表1），可完全替代進口的35MPa應(yīng)變式雙冗余薄膜壓力傳感器，實現(xiàn)了該產(chǎn)品的國產(chǎn)化。

一、傳感器原理

應(yīng)變式周邊固支敏感元件的感壓面受到均布壓力作用時，彈性膜片發(fā)生彈性形變，通過絕緣層傳遞到應(yīng)變計的敏感柵，使敏感柵發(fā)生拉伸或壓縮形變，敏感柵的電阻值亦隨之增大或減小。本論文中，我們通過在彈性膜片上的中心和邊緣位置各制作4個等值電阻，組成兩個相互獨立的惠斯通全橋，當給全橋以一定的電壓或電流激勵時，可以將彈性材料受壓力產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為與壓力成近似線性關(guān)系的差模電壓輸出，實現(xiàn)壓力的測量，如圖1所示。

敏感元件制作完成后，僅需增加一個調(diào)理電路板，即可在同一個傳感器中實現(xiàn)兩路相互獨立的壓力信號測量輸出，實現(xiàn)傳感器的雙冗余設(shè)計，既不會大幅增加體積、重量和信息計算量，又降低了成本。

二、敏感元件設(shè)計

敏感元件由彈性體和彈性體上的濺射薄膜應(yīng)變計組成。我們采用的是周邊固支彈性圓膜片，如圖2（a）所示。圓膜片內(nèi)部受向上的壓力P作用，在它的外表面上沿徑向D每點r（r為距圓膜片中心O距離）都產(chǎn)生徑向應(yīng)力σr，切向應(yīng)力σt及其對應(yīng)的徑向應(yīng)變εr，切向應(yīng)變εt。圓膜片r=0中心位移（撓度）最大，如圖2（b）和（c）所示。在r=處，徑向應(yīng)力和應(yīng)變均為零。在趨向r=R區(qū)間為負向壓應(yīng)力，r=R時徑向壓應(yīng)力最大，但非線性也很大。另外，趨向r=0區(qū)間為正向拉應(yīng)力，對應(yīng)的應(yīng)變線性較好。而在圖2（b）中，切向應(yīng)變呈拉應(yīng)力，且在r=0時最大，線性最好。在r=R處，切向應(yīng)力最小而切向應(yīng)變?yōu)榱恪８鶕?jù)這個圓形膜片應(yīng)力-應(yīng)變的分布特點，要求應(yīng)變計柵條圖形的軸向方向應(yīng)與切向應(yīng)力或徑向應(yīng)力方向完全一致，且布置在對應(yīng)的最大應(yīng)力方向（切向或徑向）可以得到最大輸出，傳感器靈敏度高。但是，傳感器的靈敏度與它的非線性是一對矛盾的參數(shù)。因此，必須兼顧非線性要求，犧牲一定的靈敏度而適當提高非線性。因此，外阻柵條布置在r接近R的位置，而內(nèi)阻布置在圓膜片中心。圖3示出了兩種版圖，圖3（a）版圖內(nèi)阻為弧形柵條，它充分利用了圓中心區(qū)域線性最好的應(yīng)變，圖3（b）版圖內(nèi)阻和外阻都是條形電阻，條形電阻的取向全部與它的徑向方向一致。

上述柵條圖形和布圖的結(jié)果，經(jīng)傳感器實物標定測試，得到靈敏度在1.8mV/V左右，非線性在0.1%左右，綜合精度為0.1～0.2級。

三、敏感元件制作

根據(jù)周邊固支圓膜片小撓度理論下的應(yīng)力-應(yīng)變分布曲線關(guān)系，確定周邊固支彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸及應(yīng)變電阻敏感柵的布置位置后，利用我所成熟的離子束濺射薄膜制作工藝，及離子束刻蝕工藝，進行敏感元件的制作。主要工藝流程如圖4所示，圖5所示為雙冗余壓力傳感器敏感元件及實物圖。

敏感元件采用17-4PH作為彈性體，經(jīng)過研磨、拋光后，用離子束濺射依次沉積SiO2絕緣膜、NiCr應(yīng)變電阻膜，然后通過光刻將應(yīng)變圖形刻在NiCr應(yīng)變電阻膜表面，再利用離子束刻蝕方法對NiCr應(yīng)變圖形進行刻蝕，獲得敏感元件所需的應(yīng)變柵。接著，通過Lift-off剝離工藝在應(yīng)變計引線焊盤上沉積Au，最后，再次通過Lift-off剝離工藝在應(yīng)變計上除引線焊盤以外的表面沉積保護膜SiO2。最終制作完成應(yīng)變式雙冗余薄膜壓力傳感器。

四、測試分析

對制作完成的敏感元件焊接封裝和處理后，進行了性能測試。測試結(jié)果分析如下。

（一）常溫靜態(tài)性能

首先對封裝處理后的傳感器進行了常溫20℃下的靜態(tài)性能測試，測試結(jié)果見表2和表3。根據(jù)測試結(jié)果，通過平移端基直線方法計算獲得了雙冗余壓力傳感器的非線性和精度性能，與國外樣機比較，非線性和精度完全滿足要求，見表4。而且傳感器的遲滯、重復(fù)性也達到了目前同類型的濺射薄膜壓力傳感器指標要求。版圖A的雙橋靈敏度之和為3.681mV/V，大于版圖B的雙橋靈敏度之和3.493 mV/V，符合周邊固支圓膜片小撓度理論下，膜片中心切向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變的分析。對于兩種版圖中出現(xiàn)的其中一個全橋較另一個全橋靈敏度低，分析認為是由于在光刻1過程中，版圖與膜片沒有完全居中對齊，而是稍稍有點偏移，導(dǎo)致應(yīng)變計阻值的滿量程微應(yīng)變量有所偏差，造成兩個全橋的靈敏度有所差異。為此，我們測試了傳感器版圖B在常溫20℃下的滿量程電阻變化量，結(jié)果見表5所示，與分析的結(jié)果一致。

（二）一致性

為進一步了解傳感器的一致性，包括雙橋路輸出的靜態(tài)性能一致性，溫度性能一致性，我們對傳感器在高溫70℃、低溫-25℃下的性能進行了測試，結(jié)果見表6和表7。版圖A和B的雙橋路輸出性能在精度、熱零點漂移、熱靈敏度漂移和零點時漂均表現(xiàn)出較高一致性，優(yōu)于樣件產(chǎn)品1%FS指標的一致性。

（三）存在的問題

由于傳感器的雙橋在敏感元件上距離較近，當雙路傳感器同時通電工作時相互之間產(chǎn)生電磁干擾，使零點輸出發(fā)生恒定的輸出偏移，較單獨激勵工作時的零點輸出偏大，但這種干擾通過柵條組合設(shè)計和雙橋激勵電流方向的調(diào)整使其盡量減小，而且不影響靈敏度輸出。在不同的激勵電壓下，零點輸出偏移變化量不一樣，如圖6所示。在6V以下的電壓激勵下，零點隨激勵電壓的改變基本呈線性變化，當激勵電壓超出6V以后，零點輸出偏移隨激勵電壓的改變呈較快變化，表現(xiàn)出明顯的非線性。

雖然傳感器中任意一全橋的激勵電壓通或斷，均會影響另一全橋的零點輸出，但在通或斷電的兩種狀態(tài)下，傳感器輸出性能不變，只是零點輸出發(fā)生偏移，圖7所示。其中，曲線a為僅全橋1通電激勵時輸出曲線，曲線b為雙橋路同時通電激勵時全橋1輸出曲線

五、結(jié)論

利用周邊固支圓膜片小撓度理論的應(yīng)力-應(yīng)變分布曲線關(guān)系，設(shè)計和制作了兩種版圖的雙冗余壓力傳感器，測試結(jié)果表明，兩種版圖的傳感器均具有良好的靜態(tài)特性和一致性，性能指標優(yōu)于國外樣件，完全滿足用戶使用要求。但是存在的零點干擾問題也應(yīng)引起重視，并將在下一步工作中通過設(shè)計優(yōu)化進行解決。

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作者簡介：

藍鎮(zhèn)立，男，1980.12，碩士研究生，工程師，研究方向：薄膜壓力傳感器設(shè)計及應(yīng)用；中國電子科技集團公司第四十八研究所。