研制目標(biāo)

航空器使用的壓力傳感器溫度范圍一般要求-55℃~125℃。目前飛機(jī)發(fā)動機(jī)多使用不帶調(diào)理電路的傳感器，輸出為幾十mV或幾百mV；其他控制系統(tǒng)多采用0~5V輸出型壓力傳感器，為保證產(chǎn)品較高的可靠性，傳感器的調(diào)理電路使用模擬電路。針對以上應(yīng)用研制積的低溫壓力傳感器，主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域，用來測量飛機(jī)氣路系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、燃油的壓力。

通過項目實現(xiàn)-55℃~125℃壓力敏感芯體的試驗性生產(chǎn)，突破了擴(kuò)散硅壓力敏感芯體只能在-40℃~125℃范圍內(nèi)工作的限制。要將該壓力敏感芯體真正用于傳感器，實現(xiàn)-55℃低溫擴(kuò)散硅壓力傳感器的批量化生產(chǎn)，還需要對敏感芯體的灌油密封工藝進(jìn)行進(jìn)一步完善、固化，并解決敏感芯體的溫度補(bǔ)償、封裝等技術(shù)。

技術(shù)指標(biāo)

低溫壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)   量程：0~5MPa（絕壓）；激勵：1.5~2mADC；輸出：0~100mV；精度：±0.3%FS；熱零點(diǎn)漂移：≤0.02%FS/℃；熱靈敏度漂移：≤0.02%FS/℃；輸入阻抗：（0.9～10）KΩ；輸出阻抗：（3～6）KΩ；工作溫度范圍：-55℃～125℃；

難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

穩(wěn)定性的提高   從已灌封的敏感芯體測試情況看，敏感芯體存在一些不穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)如下：敏感芯體經(jīng)歷一次高低溫后，回常溫后零點(diǎn)輸出不重復(fù)，偏差大者達(dá)到了1%FS；年穩(wěn)定性為0.3%FS/年也有待提高，年穩(wěn)定性的提高需要采用穩(wěn)定性好的芯片和特殊的封裝工藝。

溫漂的電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)  擴(kuò)散硅壓力敏感芯體具有很大的溫漂，一般使用恒流源供電，并在恒流源供電的情況下進(jìn)行熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移的補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)姆椒榫茈娮杈W(wǎng)絡(luò)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需使用溫度敏感器件，能夠自適應(yīng)補(bǔ)償。未經(jīng)補(bǔ)償?shù)拿舾行倔w其熱零點(diǎn)漂移大于0.06%FS/℃，熱靈敏度漂移大于0.09%FS/℃，經(jīng)過初次補(bǔ)償后，熱零點(diǎn)漂移可達(dá)0.015%FS/℃，熱靈敏度漂移可達(dá)0.032%FS/℃，從初次補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果看，熱靈敏度漂移離指標(biāo)有一定距離。怎樣通過電阻網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步改善補(bǔ)償?shù)男Ч蔀樵擁椖繉嵤┻^程中的一個難點(diǎn)。

硅油凈化灌充   灌充的硅油要求干凈、無氣泡、無水，因此在灌充前需對器皿進(jìn)行清潔干燥，對待充的硅油需進(jìn)行干燥、抽真空、凈化處理。以使制作的傳感器具有較高的穩(wěn)定性和較小的溫度系數(shù)。該充灌過程涉及的關(guān)鍵工藝參數(shù)有：加熱溫度、高溫保持時間、真空度、充灌時間、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度。

密封銷釘?shù)膬δ芎附?nbsp;   焊接密封銷釘時要求焊接部位局部熱量高，焊接時間短，熔合充分，能夠承受傳感器額定過載壓力的作用。焊接質(zhì)量直接關(guān)系到傳感器的可靠性和安全性。焊接的關(guān)鍵參數(shù)有焊接電流、脈沖寬度、觸點(diǎn)壓力、觸點(diǎn)位移。

恒流供電下溫漂的電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)  傳感器的熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移是表征傳感器溫度性能的主要指標(biāo)，擴(kuò)散硅壓力敏感芯體具有很大的溫度系數(shù)，無法直接應(yīng)用，必須先進(jìn)行溫漂補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)闹饕椒ㄊ遣捎煤懔鞴╇姡⒃诤懔鞴╇姷幕A(chǔ)上利用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償要解決的關(guān)鍵問題是電阻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、熱零點(diǎn)漂移補(bǔ)償電阻的阻值、熱靈敏度漂移補(bǔ)償電阻的阻值。

低溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖所示，由基座、敏感芯體、壓蓋、補(bǔ)償板、外殼、電連接器等組成。基座上的螺紋用來固定傳感器，密封方式為錐面密封。

低溫壓力傳感器電路設(shè)計

電路部分主要是對敏感芯體的溫度系數(shù)、零點(diǎn)偏移、量程偏移進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償均使用精密金屬膜電阻。溫度系數(shù)補(bǔ)償方法見圖所示，Rp和Rs0用來補(bǔ)償熱零點(diǎn)偏移，Rs1用來補(bǔ)償熱靈敏度偏移。零點(diǎn)偏移的補(bǔ)償采用在橋臂內(nèi)串聯(lián)電阻的方法實現(xiàn)。熱靈敏度漂移的補(bǔ)償采用在電橋兩端并聯(lián)電阻進(jìn)行分流的方法實現(xiàn)。考慮到一次補(bǔ)償后，敏感芯體的溫漂指標(biāo)不能滿足要求。擬采用二次補(bǔ)償?shù)姆椒▽ρa(bǔ)償后的敏感芯體進(jìn)行參數(shù)獲取，使用新的參數(shù)對敏感芯體進(jìn)行再次補(bǔ)償。

圖 補(bǔ)償原理圖

補(bǔ)償板的設(shè)計滿足電路補(bǔ)償?shù)墓に囈螅a(bǔ)償板連接敏感元件的電氣連接線，板上預(yù)留有補(bǔ)償電阻固定位置。

壓力傳感器電路設(shè)計   敏感芯體的補(bǔ)償同低溫，調(diào)理電路主要由電源極性保護(hù)、瞬壓抑制、恒流源電路、放大電路和限幅電路構(gòu)成。該電路的特點(diǎn)是所有器件使用模擬元器件輸出可以達(dá)到0~5V。該電路主要使用AD580和TLV2264兩個元器件，AD580提供2.5V的參考電壓，該電壓作為TLV2264的輸入，R11為電流采樣電阻，傳感器上的電流大小為2.5V/R11，該電流為浮地電流源。TLV2264另外3個運(yùn)放構(gòu)成一個經(jīng)典的儀表運(yùn)放，對敏感芯體的差模電壓進(jìn)行放大，輸出一個單端的0~5V信號。

圖 調(diào)理電路原理圖

工藝設(shè)計

低溫壓力傳感器電路設(shè)計

圖 工藝流程圖

存在的問題及解決措施

為實現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)，需對灌油封裝工藝進(jìn)行摸索、完善、固化，而工藝摸索需要反復(fù)試驗。目前，凈化灌油工序采用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)，僅能進(jìn)行小批量試驗性的生產(chǎn)任務(wù)。密封焊接采用外單位協(xié)作的方式，存在不確定因素，如半成品在外單位加工時可控性差。

結(jié)論

該總體方案確立了項目任務(wù)目標(biāo)，對低溫擴(kuò)散硅壓力傳感器的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析，技術(shù)途徑和解決方案能夠指導(dǎo)項目實施。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處。