国外生产压阻式压力传感 器和变送器的公司有很多。技术起步较早的有美国的ENTRAN公司和ENDEV— CO公 司。尤其是ENDEVCO公司 ，以微机械加工技术研 制了多种硅双岛压力传感器 ，并广泛应用于航空、航天动压试验 。目前以生产“不锈钢膜片隔离型”压阻式压 力 传感器为代表性的公 司有：美国 ICSensors公 司、美国 NOVA公司 、美国SENSYM公司和瑞士KELLER公司 ， 其典型产品性能为 目前世界领先水平。到 目前为止 ，国 产压力传感器在 国内仅占需求量的20％左右 ，而以美国为首的诸多国外公司在发展了 “不锈钢膜片 隔离型”压阻式压力传感器后，便开始大力开拓中国市场，占据了国内需求量的70％一8O％。国内从事生产 民品压阻式 压力传感器的主要厂家(公司)有宝鸡麦克公司、蚌埠库利特公司和沈阳仪器仪表工艺研究所 ，现在已有的“不锈 钢膜片隔离型”压阻式压力传感器 ，外型尺寸单一 ，技术指标偏低 ，温度稳定性差 ，只能用于工业或民用 ，而且产量低、品种不全，尚未形成系列化、标准化 ，不能满足国内市场需求。

      该传感器采用MEMS技术和半导体微机械加工工艺，静电封装工艺和真空注油工艺制成。感压膜片为316不锈钢 ，使被测介质与敏感元件隔离，结构坚固、性能稳定 、具有广泛的介质兼容性等优点。采用微型全焊接结构 ，其输出信号经放大处理 电路转换成标准(0～5) V的电压信号。该传感器还具有精度高，稳定性好 ，小尺寸抗振动 、冲击等特点 ，可以广泛用于石油 、冶金 、化工 、 航空、航天 、武器装备等领域压力的测量和控制。

1 工作原理

      单晶硅材料在受到力的作用后，其 电阻率要发生变 化，而且在不同的晶向上电阻率的变化不同。传感器的敏 感元件就是利用单 晶硅的压阻效应原理制成的，在单晶硅 上形成一个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，采用微电 子工艺在弹性膜片上形成四个应变 电阻，组成一个惠斯通 电桥。当压力作用后 ，弹性膜片就会产生变形 ，形成正、负两个应变区，材料的电阻率就要发生相应的变化 。通过合理的设计 ，使得当单晶硅片受到压力作用时，电桥一个对臂的两个电阻阻值增大，另一个对臂上的两个电阻阻值减小 ，这样 ，在一定电源激励下，电桥的输出端就会输出一个与被测压力成一定比例关系的电压信号。

2 方案设计

      根据传感器的技术指标和外型尺寸要求 ，方案采用硅压阻式双岛结构、具有隔离膜片的传感器敏感芯体 ，并附以信号放大和调理电路来实现压力传感器的功能。 

2.I 敏感芯体设计 

      双岛形硅杯就是用单晶硅材料制作的一个周边固支且中心有两个硬岛的薄膜片 ，然后在其上特定的位置扩散四个力敏电阻，再通过金属互连形成一个惠斯通电桥 。 当弹性膜片受到均匀的流体压力作用时 ，电桥一个对臂的两个电阻阻值增加 ，另一个对臂的两个电阻阻值减小 ， 在恒定电流供 电的情况下 ，电桥的输出与膜片所受的压力成正比。

图 1 等效电路

      对于传统的c型硅杯结构 ，其两对力敏电阻通常为纵向受拉或纵向受压，它们的非线性值比横向受拉或受压时要小，但符号相同 ，使非线形增加。对于矩形双岛硅膜结构 ，两对力敏电阻分别位于双岛之间的中央沟槽和岛与边框之间的边缘沟槽表面，对这种双岛结构的应力分析表明，由于槽宽比槽长小得多 ，故这些应力主要是横向应力。当其正面受压时，P型电阻R所在的边缘沟槽上表面受拉伸应力 ，而R所在的中央沟槽 上表面受压缩应力。这时 R 和 R 的非线性符号相反而数值相近 ，故可实现非线性补偿 。

      根据以上分析，我们将四个应变电阻 中两个设计在膜片中心沟槽内，两个分别设计在两旁的边缘沟槽内，这样它们一对感受压应力 ，另一对感受张应力 ，可以获得最大的灵敏度 ，并且还能进行非线性补偿。在设计中，为了提高传感器的性能 ，应使四个电阻的长、宽相等 ；所受应力相等；掺杂浓度相等。这样可以减小传感器的零点温度漂移。

      采用静电封接的方法 ，将双岛形硅杯和玻璃基座在真空中封接在一起 ，使硅杯内部形成一个真空参考压力腔。采用不锈钢波纹膜片进行隔离封装 ，在芯片与不锈钢膜片的腔体内充满硅油 ，以实现从波纹膜片到硅油、芯片的压力传递 。

图 2 敏感芯体结构图

2.2 温度补偿 

      扩散硅压阻式传感器以其高的灵 敏度输出，动态响应好，测量精度高 ，稳定性好 ，易于小型化和批量生产等优点得到了广泛的应用，但扩散硅压阻式传感器受到环境温度影响，会产生很大的零点和灵敏度漂移 ，这大大地限制了它的应用 ，所以采取适当的温度补偿措施是十分重要的。主要采取了以下几种减小温度漂移的措施：

(I)敏感元件制作扩散工艺中，采用离子注人方法进行掺杂，以尽量减小四个敏感电阻阻值和温度系数差异；

(2)适当提高扩散 电阻条的掺杂浓度，少量牺牲灵敏度以降低扩散电阻的温度系数和灵敏度温度系数；

(3)选择合适的与硅材料膨胀系数相近 的玻璃基座材料 ，以减小与玻璃基座连接产生的热应力 ；

(4)扩散硅片与玻璃基座的连接采用静电封接工艺 ，此工艺不但可以将硅片与玻璃可靠连接 ，而且由于两者的接合不用任何添加材料，消除了添加材料随温度变化产生的老化、滞后等效应。

(5)采用了外电路串并联电阻两点补偿方法对传感器的零点和灵敏度进行了温度补偿。补偿电路如图3所示。

      测量每一个敏感芯体在不同温度下的零点输 出，根据每一个敏感芯体零点温漂的具体数值 ，选取不同的串并联电阻R、R ，将传感器的热零点漂移降低到指标要求的数值。

图 3 传感器温度补电路图

2.3 信号调理电路设计 

      由于要求传感器应具有 (0～5)V的直流电压输出， 而敏感芯体的输出只有几十毫伏 ，因此必须对敏感芯体的输 出信号进行放大处理。信号处理电路实际上包括两 个方面的设计 ，一是 敏感芯体供 电电路的设计 (恒流源设计 )，二是放大电路的设计 。

2．3．1 恒流源设计 

      由于桥臂电阻R对温度敏感，随温度升高阻值增 大 ，而灵敏度随温度升高而下降，因此恒流源供 电对温漂 具有补偿作用。该传感器采用电压一电流转换形式恒流源 ，传感器敏感元件的惠斯通电桥置于集成运算放大器的反馈回路，如图4所示。其中z为高精度基准电压源， R 、R 为分压电阻，R用于调整电流的大小。

图 4 恒流源电路原理图

2．3．2 放大电路设计 

      电路设计采用如图5所示的信号处理电路 。

圈 5 传感器信号处理电路图

        在印制电路板的设计过程中，为了减少电子电路的辐射发射 ，应当减少由于电流流过 电路导线形成差膜辐 射 的环 面积，尤其是数字电路的环面积。 由于细而长的回导线呈现高电感 ，其阻抗随频率增加而增加 。为了避免引起阻抗耦合 ，使用铜箔板和尽可能宽的迹线。 电源布线 ，在考虑安全条件下 ，电源线尽可能地靠近了地线 ，以减少差膜辐射的环面积 ，也有助于减少电路的交扰 。此外 ，避免了印制电路版导线的不连续性，迹线宽度不要 突变，导线不要突然拐角 。

3 测试结果与分析

       对经工艺考核的产 品 ，按照相应的超小型压力传感器规定的条件和方法进行 了性能测试，产品各项指标全部满足要求 。主要性能指标测试结果见表1。

表 1 主要性能指标测试结果

        该传感器投产两批用于性能测试，每批生产3只，共计6只。经全过程工艺考核，其合格率达到100％。考核结果表明，产品设计合理 、工艺设计可行，具有可操作 性 ，能够满足批量 生产的要求 。

4 结束语

        超小型压力传感器(以下简称传感器)是利 用单晶 硅的压阻效应原理 ，采用先进的半导体平面工艺 、微机械加工工艺 、温度补偿及 固态集成工艺制造 的。产品在制作过程中经过严格的工艺检验和环境性能试验。从社会效益来看，该传感器的应用研究 ，为实现我国武器装备 国 产化水平的提高奠定 良好 的基础 。根据该传感器的特 点，使该传感器在很多应用领域得以推广 ，成为航空、航天压力测量领域的更新换代产 品。且该传感器体积小、 重量轻，适用与对体积和重量有特殊要求的领域 。

参考文献

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