高精度薄膜壓力傳感器的研制

金 忠，謝 鋒，何迎輝，雷 凱，龍 悅

（中國電子科技集團公司 第四十八研究所，長沙410111）

濺射薄膜壓力傳感器主要由濺射薄膜壓力敏感芯片和信號調理電路組成。其芯片結構如圖1 所示，對彈性不銹鋼材料進行機械加工，在彈性膜片上制作4 個感受壓力的合金薄膜電阻。

測量原理為電阻應變效應，四臂全橋在壓力作用下產(chǎn)生阻值變化，在激勵源的作用下輸出電壓信號，如圖2 所示。

壓力敏感芯片膜層的制作工藝主要是薄膜淀積，如磁控濺射、離子束濺射和等離子體增強化學氣相淀積等。芯片上主要包括過渡膜、絕緣膜、功能膜和鈍化膜。該芯片具有穩(wěn)定性好，耐壓力沖擊的特點，廣泛應用于機械、石油、航天領域[1]。通過對大量壓力敏感芯片的數(shù)據(jù)分析，常溫下芯片的準確度可以達到FS 0.1%，該準確度主要包括非線性、遲滯和重復性，不包含溫度漂移。很多場合下，傳感器的工作溫度不是常溫，其典型的熱零點漂移和熱靈敏度漂移指標為FS 0.02%/℃。在-75～125 ℃范圍內，壓力測量誤差為FS 2%。在一些不能使用數(shù)字方式進行補償特殊應用場合，測量誤差要求控制在FS 1%，普通產(chǎn)品很難達到該要求。

圖1 壓力敏感芯片結構Fig.1 Structure of pressure sensitive chip

圖2 壓力測量四臂全橋Fig.2 Pressure measurement four arm full bridge

2 壓力敏感芯片的測量誤差來源分析

2.1 熱零點漂移的分析

恒定電壓激勵下，圖2 所示的電橋在未受到壓力時，其零點輸出U0T與溫度Δt 的關系為

其中

式中：U+T為電橋輸出正端電壓；U-T為電橋輸出負端電壓；Vi為電橋供電電壓；a1～a4為相應橋臂的溫度系數(shù)。由式（1）可知，無論電橋初始狀態(tài)是否平衡，當4 個橋臂電阻的溫度系數(shù)完全相等時，傳感器的熱零點漂移為0。實際上a1～a4各不相同，從而產(chǎn)生熱零點漂移。熱零漂移主要由敏感芯片上金屬薄膜電阻靶材的純度和制作4 個橋臂電阻的工藝一致性決定。

2.2 熱靈敏度漂移分析

傳感器的滿量程輸出會隨溫度的變化而變化，而后端采集電路一般以常溫的滿量程輸出值作為標度變換的參數(shù)，從而導致最終的壓力顯示存在較大誤差。壓力敏感芯片受到的均布壓力時，膜片產(chǎn)生形變，徑向應變和切向應變分別為

式中：εr為徑向應變；εt為切向應變；p 為膜片受到的壓力；μ 為彈性材料泊松系數(shù)；E 為彈性模量；h為膜片厚度；R 為膜片半徑；r 為膜片上任意一點的半徑[2]。

圖1 所示的功能膜為合金薄膜電阻，通過濺射的方式制作在彈性膜片上，結合力大，可以認為膜片的應變等于合金膜電阻的應變。根據(jù)金屬膜電阻的應變效應，有

式中：Ris電阻形變前的電阻；ΔR 為形變引起的電阻變化量；ε 為電阻的應變；C 為金屬導體晶格結構的比例系數(shù)，對于常用的金屬和合金來說，取C 值為-12（Ni）～6（Pt）。

4 個柵條電橋在恒定電壓Vi激勵下，以徑向應變?yōu)槔敵鲭妷簽?/p>

由此可知，激勵電壓Vi，膜片材料尺寸（h，R，r）和壓力p 不隨溫度變化，其他參數(shù)均隨溫度變化。17-4PH 不銹鋼是常用的彈性材料，泊松比為0.272，200 ℃范圍內溫度系數(shù)約為100×10-6/℃，其彈性模量為1.91×105MPa，彈性模量溫度系數(shù)為-240×10-6/℃。根據(jù)式（5），可計算出靈敏度的溫度系數(shù)約為0.0229%/℃，與實測值接近。從分析可知，熱靈敏度漂移主要由彈性材料的泊松系數(shù)和彈性模量溫度系數(shù)引起。

3 信號調理電路的設計

3.1 熱零點漂移補償

熱零點漂移補償主要通過串并聯(lián)電阻改變橋臂電阻溫度系數(shù)的原理進行，目前大多針對壓阻式壓力傳感器，補償采用的電阻為近零溫度系數(shù)金屬膜電阻。NiCr 是常用制備應變電阻的材料，具有較高的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)以及較高的靈敏度等特點，對溫度依賴小[3]。電阻溫度系數(shù)為50×10-6～100×10-6，制作的應變全橋熱零點漂移也小，約為FS（0.02%～0.03%）/℃，只有高精度需求下才進行補償，且近零溫度系數(shù)金屬膜電阻已不再適用。為減少傳感器的引線數(shù)量和體積，有些電橋為4 點封閉橋，電橋的初始不平衡在后續(xù)調理電路中進行調節(jié)，電橋無法串入電阻進行熱零點偏移補償，只能進行并聯(lián)補償。圖2 所示的封閉電橋在常溫零點輸出U0為

其中

補償前零點溫度漂移量為

若ΔU0T＞0，則在R4或R2橋臂上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為ap的電阻Rp；若ΔU0T＜0，則在R3或R2橋臂上并聯(lián)。以恒壓供電，在R3處并聯(lián)Rp為例求解Rp和ap值。并聯(lián)Rp后，不影響U+和U+T的大小，補償后零點溫度漂移量為

其中

式中：R2T，R3T，RpT分別為R2，R3，Rp在經(jīng)歷Δt 之后的電阻；U′-T為補償后電橋輸出負端電壓；U′-補償前電橋輸出負端電壓。橋臂實際補償時，補償前后零點輸出的允許變化量決定了Rp的值，由此計算出Rp的值。即

其中

令ΔU′0T＝0，將Rp值代入式（8），得到

然后，根據(jù)串并聯(lián)電阻的方法配出電阻網(wǎng)絡，滿足Rp和ap的要求。最后得到并聯(lián)于R3的電阻網(wǎng)絡。

3.2 熱靈敏度漂移補償

熱靈敏度漂移由制作壓力敏感芯片彈性材料的本身物理特性決定，往往通過調節(jié)其成份配比、改變冶煉工藝和熱處理工藝進行改善，但提高的空間非常有限。由式（5）可知，如果恒壓激勵電源有一個負的溫度系數(shù)，則熱靈敏度漂移會得到削弱，起到補償?shù)淖饔?。用溫度敏感電阻感受壓力敏感芯片應變電阻的溫度，該溫度作為調理電路的輸入信號來調節(jié)激勵電壓的大小，可以得到一個負溫度系數(shù)的激勵電壓。

信號調理電路主要由壓力敏感芯片電橋供電電路和信號放大電路組成。為減小電路本身的溫漂，電阻器件和放大器應選用溫度系數(shù)小的型號。供電電路提供電壓激勵源，包括分壓電路、放大器；放大電路為儀表放大器。信號放大調整后的輸出為1～5 V。R1～R4為傳感器芯片上應變電阻。調理電路原理如圖3 所示，壓力敏感芯片的熱靈敏度漂移為FS 0.025/℃，通過在R1上并聯(lián)電阻網(wǎng)絡補償熱零點漂移，在R7上串聯(lián)R6來補償熱靈敏度漂移。

圖3 調理電路原理Fig.3 Schematic of conditioning circuit

D1為2.5 V 低溫漂基準電壓管REF3425，溫度系數(shù)為6×10-6/℃；R7和R8選用片式金屬薄膜電阻器，溫度系數(shù)控制在10×10-6/℃。補償后，常溫滿量程輸出和高低溫下滿量程應該是相等的關系，推導出供電電壓Vi溫度系數(shù)γ 與傳感器熱靈敏度漂移β 之間的關系為

式中β 為已知量。電橋激勵電壓Vi為

D1和R8的溫度系數(shù)和β 相比很小，計算中近似為0。由式（12）～式（14）可得

其中

圖3 所示的R6為壓力敏感芯片上的溫度敏感電阻，溫度系數(shù)a6典型值為3851×10-6，由串聯(lián)電阻溫度系數(shù)公式，即

求解出R6和R7的值。

4 壓力敏感芯片的制作

芯片設計的要點是在壓力敏感芯片的非應變區(qū)域設計溫度敏感柵條電阻，其材料為Pt，用于感受敏感芯片所處的溫度，其溫度系數(shù)為3851×10-6±200×10-6，由于在非應變區(qū)所以不受壓力的干擾。

Pt 薄膜的制備工藝與合金柵條電阻制備工藝相同。采用17-4PH 不銹鋼作為彈性體材料，經(jīng)粗磨、細磨后，用拋光液進行拋光，直至彈性體表面缺陷的直徑小于0.1 μm。使用去離子水、丙酮和酒精進行超聲清洗，對預處理好的彈性體襯底材料依次用離子束沉積和光刻工藝制備過渡層、絕緣層、NiCr合金（6J22）電阻層、Pt 電阻層以及表面鈍化層。采用激光調阻進行阻值修正。離子束沉積工藝采用中電科48 所研制的LD-2 鍍膜機，襯底溫度100～200 ℃，工作氣氛為高純Ar 氣，流量6～8 mL/min，氣壓控制在0.018～0.031 Pa。

敏感芯片設計的實物如圖4 所示，其Pt 柵條寬度200 μm，厚度100 nm；NiCr 柵條寬度25 μm，厚度250 nm；方阻分別為1.06 Ω 和5.32 Ω；R5阻值為22 kΩ，R6阻值為205 Ω。

圖4 壓力敏感芯片F(xiàn)ig.4 Pressure sensitive chip

5 測試數(shù)據(jù)分析

對制作完成的壓力芯片進行焊接、引線、封裝、調試。先對壓力敏感芯片本身的溫漂進行測試，測試數(shù)據(jù)包括補償前常溫、低溫、高溫下的零點輸出，U+端對Vi-常溫、低溫、高溫下的電壓，以及各橋臂電阻的阻值和溫度系數(shù)。使用上述測試結果計算熱零點漂移補償?shù)牟⒙?lián)電阻值。熱靈敏度漂移不用對壓力敏感芯片進行前期測試，直接使用計算出的R6值為205 Ω。最后，在儀表運放電路上進行零點和滿度的調節(jié)，使輸出滿足1～5 V 要求。壓力敏感芯片各壓力點的測量誤差如圖5 所示，調試完成的傳感器各壓力點的測量誤差如圖6 所示。由圖可見測量精度至少提高了1 倍。

圖5 壓力敏感芯片的精度Fig.5 Precision of pressure sensitive chip

圖6 傳感器的精度Fig.6 Sensor precision

6 結語

濺射薄膜壓力芯片的熱零點漂移由橋臂電阻的溫度系數(shù)差異引入，熱靈敏度漂移由彈性材料本身特性引入。通過在橋臂并聯(lián)電阻調節(jié)橋臂溫度系數(shù)減小熱零點漂移，在壓力芯片上設計Pt 電阻調節(jié)調理電路激勵電壓溫度系數(shù)，實現(xiàn)

減小誤差的目的。測試結果表明，該方法可以明顯提高濺射薄膜壓力傳感器的測量精度。