小尺寸高精度薄膜壓力傳感器研制

藍鎮(zhèn)立 楊曉生 周國方 余浪

1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111；2.薄膜傳感技術(shù)湖南省國防重點實驗室，湖南長沙 410111；3.高性能智能傳感器及檢測系統(tǒng)湖南省重點實驗室，湖南長沙 410111

0 前言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對末端檢測感知功能的傳感器技術(shù)要求越來越高，如小型化、輕量化、高精度等，這也是傳感器未來發(fā)展的趨勢所在[1]。近年來掀起的“萬物互聯(lián)”概念更是將傳感器的地位提高到了新的高度，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)一起共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。對于薄膜壓力傳感器而言，由于其具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗壓力沖擊、低溫漂、工作溫度范圍寬等特性，在航天、航空、船舶、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和生物工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2-5]。但是，由于薄膜壓力芯片尺寸一般在Φ7～Φ20 范圍，在尺寸上不具有優(yōu)勢，同時不利于輕量化封裝，導(dǎo)致傳感器在部分狹小空間安裝場景下的應(yīng)用受限。為了進一步拓展薄膜壓力傳感器的應(yīng)用范圍，本文利用周邊固支彈性膜片的小撓度理論和有限元仿真分析技術(shù)，進行小尺寸、輕量化和高精度薄膜壓力芯片的設(shè)計，并利用離子束濺射薄膜技術(shù)進行芯片的研制，以滿足各行業(yè)對壓力測量的需求。

1 傳感器研制

1.1 芯片模型結(jié)構(gòu)設(shè)計

芯片模型結(jié)構(gòu)采用周邊固支彈性圓膜片，當膜片感壓面受到均布壓力作用時，將會鼓起發(fā)生彈性形變，從而產(chǎn)生應(yīng)變，根據(jù)小撓度理論[6]，在膜片表面上沿徑向產(chǎn)生徑向應(yīng)力和徑向應(yīng)變。為提高傳感器的應(yīng)用范圍和場景，芯片的外形尺寸應(yīng)盡量小，設(shè)計芯片模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，尺寸參數(shù)d是膜片直徑，是直接影響芯片設(shè)計尺寸大小的關(guān)鍵參數(shù)。薄膜壓力芯片的彈性元件為不銹鋼材料，需采用機加設(shè)備進行加工，綜合考慮刀具尺寸、機加工藝及加工誤差等因素的影響，設(shè)計了1.5 mm、2 mm 和2.5 mm 三種膜片直徑尺寸。對于膜片直徑1.5 mm 的結(jié)構(gòu)，由于刀具小，加工時的刀具顫抖較嚴重，加工誤差控制難度大，容易造成刀具折斷；而膜片直徑為2 mm 時，刀具顫抖現(xiàn)象得到顯著改善，且誤差范圍可控，達到了一般加工件的誤差控制要求；進一步增加膜片尺寸到2.5 mm時，加工誤差的改善已不明顯，因此，綜合考慮芯片的小尺寸設(shè)計與加工誤差的可控性，確定芯片的膜片直徑參數(shù)d為2 mm，為確保芯片的固支強度，設(shè)計外徑尺寸參數(shù)D為4 mm。

彈性元件設(shè)計壓力量程為9 MPa，膜片厚度h為0.15 mm。在9 MPa 壓力作用下，彈性元件膜片的最大撓度為：

其中，P為設(shè)計壓力9 Mpa；μ為泊松比0.3；R為膜片半徑1 mm；E為彈性元件材料的彈性模量197 Gpa；h為膜片厚度0.15 mm，由式（1）可知，周邊固支彈性圓膜片設(shè)計符合小撓度理論要求。

此外，根據(jù)平膜片的最大非線性理論計算公式：

計算得到彈性元件的最大非線性理論值為0.006%，但是受材料性能和彈性元件加工尺寸誤差等影響，芯片的實際非線性要大于理論值。

1.2 模型結(jié)構(gòu)仿真

采用ANSYS 有限元仿真軟件對彈性元件結(jié)構(gòu)模型進行應(yīng)力應(yīng)變的仿真分析，彈性元件的網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為551,279，網(wǎng)格數(shù)為144,954。

根據(jù)彈性元件的材料性能和工作壓力，利用ANSYS 軟件進行仿真，得到彈性元件表面的綜合應(yīng)力分布云圖，如圖3所示。最大應(yīng)力為252.7 MPa，遠小于彈性元件材料的屈服強度1,180 MPa，說明產(chǎn)品在工作壓力范圍內(nèi)使用時是安全可靠的。

在彈性元件表面沿徑向提取膜片的應(yīng)力應(yīng)變值，得到應(yīng)力應(yīng)變隨徑向位置變化的趨勢，如圖4和圖5所示。從圖4的徑向應(yīng)力曲線中可知，最大應(yīng)力為252.69 MPa，與最大綜合應(yīng)力值基本一致。根據(jù)圖5所示的應(yīng)變曲線分布可知，彈性元件膜片的最小應(yīng)變位于半徑1 mm 附近，最大應(yīng)變位于膜片的中心位置，在應(yīng)變版圖設(shè)計時，需將應(yīng)變柵布置在最小應(yīng)變和最大應(yīng)變分布位置，以獲得最大的靈敏度輸出。

1.3 傳感器制作

彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，根據(jù)應(yīng)變分布曲線圖設(shè)計芯片的應(yīng)變版圖，然后進行壓力芯片的制作。通過機床加工方法將17-4PH 材料加工成壓力彈性元件，利用研磨、拋光設(shè)備對彈性元件表面進行平坦化和拋光處理，去除表面缺陷，獲得表面平整、粗糙度小的高質(zhì)量彈性元件；然后用離子束濺射依次沉積SiO2絕緣膜和NiCr 應(yīng)變電阻膜，利用光刻技術(shù)將應(yīng)變圖形刻在NiCr 應(yīng)變電阻膜表面，通過腐蝕方法去掉多余的NiCr 薄膜材料后，得到壓力應(yīng)變測試所需的應(yīng)變柵；繼續(xù)利用光刻技術(shù)進行電極圖形的光刻，并沉積Au層作為電極薄膜材料，然后采用剝離工藝將電極焊盤以外的Au 薄膜去除；最后，再次采用剝離工藝在應(yīng)變計上去除電極焊盤以外的表面沉積保護膜SiO2，完成芯片的制作。

芯片完成后，采用金絲球焊機和激光焊接機等封裝設(shè)備進行引線和封裝，完成傳感器的小型化封裝制作，如圖6所示。

2 性能測試分析

本文對封裝形成的傳感器的靜態(tài)性能、溫度性能、時間穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性等進行了測試試驗考核。

2.1 靜態(tài)性能

靜態(tài)性能是表征傳感器性能的基本特性之一，直接影響傳感器的測量精度。按JJG860—2015《壓力傳感器（靜態(tài)）檢定規(guī)程》對傳感器進行了常溫20 ℃下的三個進、回程靜態(tài)性能測試，傳感器激勵電壓為10 VDC，測試結(jié)果如表1所示。本文采用最小二乘法進行靜態(tài)測試數(shù)據(jù)的計算處理，根據(jù)JJG860—2015 的規(guī)定，分別計算壓力傳感器的重復(fù)性（ξR）、遲滯（ξH）、線性（ξL）和精度（基本誤差A(yù)），計算結(jié)果如表2所示。

傳感器的重復(fù)性表示為其隨機誤差的極限，計算方法如下：

其中，s為傳感器在整個測量范圍內(nèi)的標準偏差；yFS為傳感器的滿量程輸出值。

傳感器的遲滯表示為在相同壓力點下的某一個進、回程循環(huán)輸出的差值，計算方法如下：

其中，|ΔyH|max為傳感器在同一壓力點進程輸出值的算術(shù)平均值與回程輸出值的算術(shù)平均值之差的絕對最大值。

傳感器的線性計算方法如下：

其中，ΔyLmax為傳感器壓力點輸出值的算術(shù)平均值與選定工作直線的最大偏差。

傳感器的精度采用最小二乘直線為工作直線，計算方法如下：

其中，ξLH為最小二乘法直線的系統(tǒng)誤差；|ΔyLH|max為傳感器各壓力點進程輸出值的算術(shù)平均值和回程輸出值的算術(shù)平均值，分別與最小二乘法直線之間的絕對最大差值。

如果彈性元件表面拋光處理后存在較多和較大的坑點，表面拋光質(zhì)量差，會影響薄膜與彈性元件表面的結(jié)合力以及內(nèi)應(yīng)力的分布，從而導(dǎo)致傳感器的輸出不穩(wěn)定，甚至呈現(xiàn)出不規(guī)律性變化。從表1中可知，傳感器的靜態(tài)性能測試數(shù)據(jù)隨壓力變化呈現(xiàn)出線性規(guī)律變化，每個進程和回程的壓力零點輸出重復(fù)性好，表明芯片沉積的薄膜在彈性元件表面的粘附力良好，界面結(jié)合牢固。同時，從靜態(tài)性能測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到的遲滯和重復(fù)性結(jié)果可知，傳感器具有較小的遲滯特性和良好的重復(fù)性，如表2所示，也證明了薄膜與彈性元件表面的結(jié)合牢固，粘附力強，彈性元件表面拋光質(zhì)量良好。傳感器非線性為0.045%，大于理論計算的結(jié)果0.006%，與實際非線性預(yù)期相符。由于較小的遲滯和良好的重復(fù)性，傳感器的精度最高達到了0.055%，實現(xiàn)高精度壓力測量目的。

表1 常溫20 ℃靜態(tài)性能測試數(shù)據(jù)（單位：mV）

表2 靜態(tài)數(shù)據(jù)計算處理結(jié)果

2.2 溫度性能

芯片是由17-4PH 材料、SiO2絕緣薄膜、NiCr 應(yīng)變功能薄膜等組成，由于不同材料之間的熱膨脹系數(shù)、力學特性、薄膜結(jié)構(gòu)等不同，在高低溫環(huán)境下會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生和物理性能變化等，最終表現(xiàn)在傳感器的輸出隨溫度變化發(fā)生漂移，包括熱零點漂移和熱靈敏度漂移。傳感器在溫度作用下，輸出漂移越大，測量誤差越大，說明溫度性能越差。因此，需要對傳感器的溫度性能進行測試，以了解芯片的溫度特性。分別測試了傳感器在低溫-40 ℃、常溫20 ℃和高溫120 ℃下的零點輸出和滿度輸出，測試結(jié)果如表3所示。

表3 溫度漂移測試數(shù)據(jù)（10 VDC 供電）

利用熱零點漂移計算公式：

其中，α為傳感器熱零點漂移；Y(t2)為分別在-40 ℃或120 ℃時的零點輸出值；Y(t1)為常溫20 ℃時的零點輸出值；t2為分別在-40 ℃或120 ℃時的溫度；t1為常溫20 ℃時的溫度；YF為常溫20 ℃下輸入壓力9 MPa時的滿度輸出值；Y0為常溫20 ℃下輸入壓力為零時的零點輸出值。將表3中的數(shù)據(jù)代入式（8）計算，可得到傳感器在低溫-40 ℃和高溫120 ℃時的熱零點漂移，結(jié)果如表4所示。

利用熱靈敏度漂移計算公式：

其中，β為熱靈敏度漂移；YF(t2)為分別在-40 ℃或120 ℃下輸入壓力9 Mpa 時的滿度輸出值。將表3中的數(shù)據(jù)代入式（9）計算，可得到傳感器在低溫-40 ℃和高溫120 ℃時的熱靈敏度漂移，結(jié)果如表4所示。

表4 溫度漂移計算結(jié)果

根據(jù)計算得到的熱零點漂移和熱靈敏度漂移結(jié)果均優(yōu)于典型的薄膜壓力傳感器溫漂指標0.02%FS/℃，傳感器的溫度性能良好，高低溫下的溫度測試誤差小。

2.3 時間穩(wěn)定性

零點輸出隨時間變化的趨勢反映了傳感器的工作穩(wěn)定性，是傳感器應(yīng)用的主要指標特性之一。在環(huán)境溫度保持相對穩(wěn)定的情況下，如果零點輸出隨時間呈現(xiàn)出朝一個方向緩慢變化趨勢，或呈現(xiàn)出上下波動較大變化情況，則說明傳感器的工作穩(wěn)定性較差，影響傳感器的測試準確性，且隨著時間的累積，測試誤差會越來越大，最終導(dǎo)致傳感器失效，嚴重時，甚至在錯誤壓力信息輸入情況下造成裝備的損壞。因此，傳感器的穩(wěn)定性是長期可信可靠工作的基本要求。本文中將傳感器置于常溫20 ℃環(huán)境恒溫保持，在10 VDC 激勵電壓下監(jiān)測傳感器的零點輸出變化，并每間隔12 h記錄一次數(shù)據(jù)，持續(xù)監(jiān)測96 h，共得到9 組數(shù)據(jù)。在監(jiān)測期間，傳感器零點輸出穩(wěn)定，未出現(xiàn)大的波動起伏，如圖7所示。在記錄的所有數(shù)據(jù)中，零點輸出最大起伏變化為0.003 mV，測試誤差影響為0.02%FS，幾乎可以忽略，證明傳感器的長時間工作穩(wěn)定性良好。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性

傳感器的工作環(huán)境一般比較惡劣，本文中主要針對傳感器應(yīng)用中常見的振動環(huán)境進行試驗考核。

本文采用典型的振動試驗條件，振動頻率20～2,000 Hz，振動加速度峰值20 g，試驗方向包括三個軸向（分別為X 軸、Y 軸和Z 軸），時間為5 min/每軸向，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 振動試驗記錄（10 VDC 供電）

由表5可知，傳感器在每個軸向振動試驗完成后，與試驗前的零點輸出比較，最大變化為0.02%FS，考慮到測試系統(tǒng)和環(huán)境的影響，實際變化可能更小，試驗后的輸出變化基本可以忽略，說明傳感器的振動環(huán)境適應(yīng)性強。而且，試驗后持續(xù)監(jiān)測4 h 并再次測試記錄了傳感器的零點輸出，零點輸出穩(wěn)定無變化，證明振動環(huán)境不會影響傳感器的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

采用小撓度理論設(shè)計了小尺寸壓力芯片彈性元件，并利用ANSYS 有限元分析軟件進行仿真分析，得到彈性元件的最大應(yīng)力為252.7 MPa，遠小于17-4PH 材料的屈服強度1,180 MPa，壓力測量安全性得到保障。通過對研制的芯片進行封裝測試，靜態(tài)精度為0.058%，實現(xiàn)了壓力的高精度測量，其在高低溫下的零點和滿度輸出漂移優(yōu)于薄膜壓力傳感器典型值0.02%FS/℃的指標，具有較低的溫度測試誤差，且在長時間的工作情況下，傳感器的零點輸出波動起伏小，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性。