一、研制目標(biāo)

在濺射薄膜工藝的基礎(chǔ)上，完成高精度絕壓傳感器的研制，以打破國外高精度絕壓傳感器的技術(shù)封鎖，填補(bǔ)國內(nèi)高精度絕壓傳感器的空白。采用薄膜工藝制造的高精度絕壓傳感器和普通的絕壓傳感器相比具有分辨率高、線性度高、遲滯和重復(fù)性小的特點(diǎn)。項(xiàng)目產(chǎn)品研制達(dá)到的性能指標(biāo)如下：測量范圍：0~2.5Mpa；準(zhǔn)確度：0.01%；分辨率：1×10-6；零點(diǎn)溫漂：±0.01%FS/℃；靈敏度溫漂：±0.02%FS/℃；靜態(tài)過載：120%FS；供電電壓：12VDC；輸入阻抗：≥3kΩ；絕緣電阻：500MΩ；絕緣強(qiáng)度：100V.dc；穩(wěn)定性：零點(diǎn)及量程漂移≤0.1%/100h；工作溫度范圍：-50℃～+85℃；貯存溫度范圍：-50℃～+85℃ 。

二、國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較

目前，壓力傳感器主要基于電容式、壓阻式、應(yīng)變式（金屬應(yīng)變和半導(dǎo)體應(yīng)變）和壓電式原理。電容式壓力傳感器由于體積笨重和精度低的缺點(diǎn)，很少在軍事領(lǐng)域中使用。比較常見的是壓阻式、應(yīng)變式和壓電式。對于高精度絕壓傳感器數(shù)壓電式占的市場份額最大，電阻式次之。

壓電式壓力傳感器是采用石英晶體作為諧振元件，諧振的頻率隨應(yīng)壓力的變化而變化，由此來獲得高分辨率、高精度的性能。壓電式壓力傳感器受溫度影響大，大多數(shù)壓電材料具有熱釋電效應(yīng)，溫度變化會導(dǎo)致壓電晶體受力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的“熱輸出”。影響壓電式壓力傳感器產(chǎn)生輸出漂移的主要原因是瞬變溫度，瞬變溫度對晶體的影響要比緩變溫度大得多。壓電式壓力傳感對振動敏感。另外容易受到聲場、磁場、電場的影響。其應(yīng)用場合常受到周圍環(huán)境的限制。

金屬薄膜壓力傳感器在結(jié)構(gòu)上通過在彈性材料上鍍上金屬電阻膜，當(dāng)彈性材料受到壓力發(fā)生形變時(shí)，電阻膜也跟隨著發(fā)生形變，最終使電阻阻值發(fā)生變化。離子束濺射薄膜壓力傳感器,應(yīng)用先進(jìn)的離子束濺射和離子束刻蝕工藝,將應(yīng)變電橋直接制作在金屬測壓膜片上。由于不用傳統(tǒng)的膠粘工藝,顯著改善了應(yīng)變式傳感器的長期穩(wěn)定性，無蠕變，使產(chǎn)品工作溫度范圍大為擴(kuò)展，在-100℃～+250℃范圍內(nèi)的溫度漂移小于50PPM/℃。薄膜傳感器的彈性敏感材料可選擇具有耐腐蝕性能的不銹鋼、石英、藍(lán)寶石、陶瓷等，可直接與腐蝕性介質(zhì)接觸，不需要灌油隔離。由于沒有活動部件,抗振動和抗沖的能力很強(qiáng),可用于惡劣環(huán)境。其優(yōu)良的技術(shù)性能和耐惡劣環(huán)境能力引起了世界各國的重視，在國內(nèi)外軍事裝備中得到廣泛應(yīng)用。

三、本項(xiàng)目研究的高精度絕壓傳感器的先進(jìn)性可以總結(jié)為一下幾點(diǎn)：

1）薄膜技術(shù)代替粘貼式傳感器中的電阻粘貼技術(shù),消除膠的影響，使傳感器工作溫度范圍寬,無蠕變和老化現(xiàn)象。

2) 由于采用離子束濺射工藝，彈性體和應(yīng)變電阻材料結(jié)合為一體,傳感器整體無可動部件，提高傳感器的溫度特性和抗振動、抗沖擊的能力。

3) 設(shè)計(jì)產(chǎn)品體積小、功耗低、響應(yīng)速度快。

4）在數(shù)字域?qū)`敏度進(jìn)行修正、溫度漂移補(bǔ)償、非線性校正等算法提高傳感器的精度。

目前國內(nèi)尚沒有精度達(dá)到0.01%的絕壓傳感器，而國外生產(chǎn)的精度能夠做到0.01%的壓力傳感器絕大多數(shù)基于石英晶體的壓電效應(yīng)，個(gè)別廠家基于擴(kuò)散硅材料的壓阻效應(yīng)。湖南澤天傳感科技有限公司的一種高精度壓力傳感器如圖所示。其最高精度可達(dá)0.05%。

日本東京的Epson Toyocom公司是專門從事石英晶體開發(fā)和應(yīng)用的公司，由日本精工株式會社愛普生科技公司的石英晶體業(yè)務(wù)司和Toyo通信設(shè)備公司組合而成。該公司主要生產(chǎn)石英諧振器、定時(shí)元件、濾波器、石英傳感器、光學(xué)設(shè)備等產(chǎn)品，其生產(chǎn)的TSU系列高精度石英壓力傳感器測量范圍從0-100kPa到0-1MPa。該公司生產(chǎn)的TSU系列高精度石英晶體絕壓傳感器。該系列傳感器的線性度最大只能達(dá)到0.05%，工作溫度范圍僅限于-10℃~+70℃。

美國Paroscientific（派若斯）公司成立于1972年，主要致力于高精度壓力傳感器的研究、生產(chǎn)、銷售，通過使用專門的石英晶體作為諧振元件來敏感外部的壓力變化。該公司生產(chǎn)的具有代表性的石英晶體絕壓傳感器有2000系列，3000系列，4000系列及4000KR系列，其他性能指標(biāo)如下：量程：0~0.1MPa、0~3.45MPa之間任選；重復(fù)性：0.005%；遲滯：0.005%；頻率輸出范圍：30KHz到42KHz；供電電壓：+5VDC~16VDC；工作溫度：-54℃~+107℃。

四、高精度壓力產(chǎn)品的應(yīng)用背景及應(yīng)用范圍

高精度絕壓傳感器可廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)推進(jìn)控制系統(tǒng)、風(fēng)洞儀器及壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)、氣象學(xué)研究、能源開發(fā)等。如可以用在地球同步衛(wèi)星上的高精度推進(jìn)測量系統(tǒng)完成衛(wèi)星軌道精確定位，測量各種燃油的壓力、推進(jìn)艙的壓力；用在導(dǎo)彈上測量進(jìn)氣口外部、內(nèi)部以及排氣口內(nèi)部、中間和外部的壓力；載人飛船艙內(nèi)氣壓的測量、飛機(jī)飛行高度測量、大氣參數(shù)測量、飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)外的壓差測量。

五、研制方案及技術(shù)途徑

1）設(shè)計(jì)原理

流體壓力P1作用在高彈性膜片上,使膜片產(chǎn)生形變 ,采用離子束濺射和刻蝕技術(shù)在膜片上制作了組成電橋的薄膜電阻,通過恒定電流源對電橋供電，當(dāng)膜片形變使電阻阻值發(fā)生變化時(shí),電橋輸出與壓力成比例的電壓信號。通過電路對電橋輸出的信號進(jìn)行放大、處理、誤差數(shù)字化修正，再變換成與壓力成比例的頻率信號。

2）高精度設(shè)計(jì)保障

薄膜壓力傳感器的精度主要受到非線性誤、遲滯和重復(fù)性的影響，通過選用合適的材料，傳感器的重復(fù)性和遲滯可以得到很好的解決。但對于非線性誤差需通過以下幾個(gè)環(huán)節(jié)加以解決：

（1）選取合適的彈性材料。

（2）在彈性體的設(shè)計(jì)上，通過設(shè)計(jì)合適的膜片厚度和半徑，保證彈性體的應(yīng)力對形變的非線性誤差控制在0.085%以內(nèi)。

（3） 采用電子電路對非線性進(jìn)行調(diào)整。通過采樣到的傳感器原始數(shù)據(jù)獲得一個(gè)微調(diào)電壓信號，去調(diào)整電橋的激勵源來改善傳感器輸出電壓的非線性。

（4）通過上述措施，傳感器的精度有顯著的改善，但要想達(dá)到0.01%的高精度要求，還必須在數(shù)字域?qū)敵鲂盘栠M(jìn)行補(bǔ)償。在數(shù)字域主要對傳感器進(jìn)行非線性、零點(diǎn)漂移、溫度漂移、靈敏度進(jìn)行修正。

3）非線性補(bǔ)償

通過選擇合適的彈性材料以及設(shè)計(jì)高靈敏度、低非線性誤差的彈性元件結(jié)構(gòu)體后，必須通過一定的措施對傳感器電橋進(jìn)行非線性補(bǔ)償，以進(jìn)一步提高線性度，我們將通過集成在電路主芯片內(nèi)的模擬電路對非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，除此之外還將在數(shù)字域?qū)Ψ蔷€性作進(jìn)一步校正。通過檢測傳感器的輸出電壓，并和理想的線性電壓相比較，計(jì)算出一個(gè)8bit的數(shù)據(jù)，然后將這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出給運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器和MOS管構(gòu)成一個(gè)壓控電流源，不同的D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)據(jù)將得到不同傳感器激勵電流源，可校正不同的非線性誤差。試驗(yàn)已證明，電路可將傳感器0.09%的非線性誤差補(bǔ)償?shù)?.05%以下。對于補(bǔ)償后仍不能達(dá)到要求的傳感器，再通過數(shù)字電路修正，將非線性控制在允許范圍。

4）數(shù)字校正

在敏感元件封裝，穩(wěn)定性處理后，必須對傳感器在數(shù)字域?qū)α泓c(diǎn)偏移、非線性、靈敏度、溫度進(jìn)行補(bǔ)償才能達(dá)到0.01%的高精度要求。如圖是數(shù)字校正原理圖，壓力信號和溫度信號經(jīng)過放大，偏移調(diào)整，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入到A/D轉(zhuǎn)換端口，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被CPU通過校正算法校正，CPU將校正后的16位數(shù)字信號送到D/A轉(zhuǎn)換器，最終以電流或電壓的形式輸出，或直接以頻率信號輸出。

零點(diǎn)和滿量程溫漂采用查表補(bǔ)償法，補(bǔ)償原理如下，在一個(gè)恒定的溫度點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)或手操器的按鍵將對應(yīng)溫度點(diǎn)的零點(diǎn)誤差相對值和滿量程溫漂絕對值，記錄到單片機(jī)的FLASH中，當(dāng)單片機(jī)正常工作時(shí)，根據(jù)采樣的溫度值，查表得該溫度點(diǎn)的零點(diǎn)誤差和放大倍數(shù)，按照下列公式計(jì)算傳感器未經(jīng)線性補(bǔ)償?shù)妮敵鲋怠?

D3=（D1+D2）*S

式中：D3——傳感器未經(jīng)線性補(bǔ)償?shù)妮敵鲋?；D1——單片機(jī)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的實(shí)際值；D2——查表得到的零點(diǎn)誤差值，有正負(fù)號；S ——查表得到的絕對放大系數(shù)。

當(dāng)傳感器的零點(diǎn)需要改變時(shí)，通過計(jì)算機(jī)或手操器將FLASH中的零點(diǎn)誤差值統(tǒng)一加某一需要的定值，即保持傳感器的零點(diǎn)溫補(bǔ)特性不變，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)平移。線性補(bǔ)償，傳感器的線性補(bǔ)償采用查表分段線性化處理，即用得到的傳感器未經(jīng)線性補(bǔ)償?shù)妮敵鲋礑3，加上該壓力點(diǎn)通過計(jì)算得到的線性偏移量，最后得到經(jīng)溫度、線性補(bǔ)償?shù)膶?shí)際壓力值。

例如5MPa傳感器五點(diǎn)線性補(bǔ)償?shù)木唧w方法為：將壓力點(diǎn)分為五個(gè)等分點(diǎn)，然后逐點(diǎn)加壓，在1MPa點(diǎn)將D3記錄到FLASH的內(nèi)存對應(yīng)區(qū)，通過手動調(diào)節(jié)將壓力變送器調(diào)到理想輸出值，計(jì)算出D3與理想輸出的差值，依次記錄2MPa、3MPa、4MPa、5MPa的對應(yīng)值。通過下列計(jì)算公式計(jì)算出線性補(bǔ)償后的值D4。

D4=D3+△L

式中：D4——線性補(bǔ)償后的值；D3——溫度補(bǔ)償后的值；L——線性差值，通過D3查表及分段線性化得到。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處。