介绍了高精度卫星压力传感器的技术要求、工作原理、结构设计、电路设计和测试结果。讨论了开发过程中的关键技术和解决方案。该传感器基于硅微压阻效应原理，在电子电路中采用相关的半导体平面技术、微加工技术和信号调理补偿技术，将压敏元件和调理电路集成在壳体内。该传感器具有非线性好、工作温度范围宽、耐冲击过载、性能稳定可靠等特点。

卫星在飞行中进行大量的科研、军事和民用任务，密封腔内的压力是保证许多设备正常运行的必要条件。例如，卫星摄影和相位系统，如果没有正常的大气压力在地面上，相机将不清楚。研制了用于密封腔室压力测量与控制的卫星高精度压力传感器。它的研制成功，对于打破国外武器封锁，加快国内武器装备现代化具有现实意义。

1关键指标分析

1.1非线性

非线性是影响传感器静态精度的三大因素之一。为了保证传感器的高精度，必须对指标进行改进。对于小量程压阻式压电换能器，压阻式压电换能器的非线性应在0.5% FS至0.2% FS的范围内。为了保证传感器的高精度，设计了非线性补偿，使传感器的非线性为0。在1% FS范围内。

1.2零漂(稳定性)

零点漂移是传感器短时间内稳定性的度量，也是传感器保证长期测量稳定性的前提。只有压力传感器的零点漂移指数足够小，才能保证对卫星密封腔内压力的长期控制精度。在设计压敏元件和调理电路时，应注意信号的匹配，并注意元件的选择，以减少输出漂移。

1.3脉冲过载

该指标的需求量很高，为1500g。因此，在整体结构设计中应给予保证。

2工作原理

2.1压敏元件的工作原理

压敏元件采用压阻效应原理，利用半导体技术和微加工技术在半导体单晶硅片上形成惠斯通电桥，将被测压力转换成电压信号。

图1是惠斯通电桥的原理图。在由4个电阻组成的电平行四边形中，当在一组对角点上施加恒流时，在另一组对角点上静态地产生输出电压△U，其值由下式给出:

对压阻式压力传感器来讲，当器件未感受压力时，4个电阻没有发生变化，传感器输出为零位输出，此时△U静 =U0 ．从使用角度讲，希望越小越好．当器件感受压力时，电阻R1 、R3，阻值增； R2、R4 阻值减小，因此产生一个与压力成正比的电信号输出 △U 静。

图 1 惠斯登电桥示意图

2．2 传感器工作原理

压力传感器是通过其核心部件一压力敏感元件将压力转换成电压信号即△u静，然后再通过调理电路将这个信号调理成满足合同要求的信号引．

(a)方形硅杯电阻分布图

图2虚线框内的部分是调理电路。它包括电路保护、滤波、恒流电源、线性补偿、放大等部分，各部分完成了电路的内外保护、干扰滤波、压敏元件恒流电源和温度补偿、输出信号线性补偿、输出信号放大等功能。

3总体方案设计

3.1总体结构设计

传感器的整体结构包括两个主要组成部分:接头和外壳。它经过精心设计，使结构紧凑，体积小，功能齐全。该接头完成几种功能:压敏元件的密封安装，固定调理电路板的安装，全范围压力密封试验;外壳具有包含传感器所有内部元件、电气连接安装和传感器安装固定的功能。机身内灌胶，提高壳体的抗振性和抗冲击性。压敏元件的结构设计是根据传感器的量程和结构要求进行的。压敏元件的整体结构由压敏元件外壳、矩形双岛硅膜、外引线、厚膜补偿板、衬底、静电密封底座、内引线、保护胶等组成。传感器的敏感元件是在单晶硅上形成与传感器量程相应厚度的弹性膜片，然后通过微电子技术在弹性膜片上形成四个可变电阻，形成惠斯通电桥。当施加压缩力时，弹性膜片会发生变形，形成两个正应变区和负应变区，材料的电阻率也会相应发生变化。换能器的压力传感元件是一种工艺好、性能优异的方形薄膜。方形膜片布置时的惠斯通桥电阻及弹性膜片上的应力分布如图3所示。

(b)应力分布

3．2 电路设计

1)调理电路原理设计

调理电路的设计准则是在保证可靠性和安全性的前提下满足合同的性能要求。调理电路包括电路保护、滤波、恒流供电、线性补偿、放大等部分，各部分完成电路的内外保护、干扰动滤波、液位(压力)传感器恒流供电及温度补偿、线性补偿、输出信号放大等功能。

2)电路板设计

在印刷电路板的设计过程中，为了减少电子电路的辐射发射，减少由于电流流经电路导线而产生的差膜辐射形成的环形面积，印刷电路元件的设计和处理准则应符合GJB362-96《印刷电路板设计与使用》的基本原则和规定。由于细而长的回线具有较高的电感，其阻抗随频率的增加而增大。为了避免引起阻抗耦合，使用铜箔板和尽可能宽的走线。电源布线时，在考虑安全条件下，电源线尽量靠近地线，以减少差膜辐射的环面积，也有助于减少电路的干扰。另外，避免了印制电路板线材的不连续，走线宽度设计无突变，线材无突变角。为了提高传感器的工艺可靠性，设计了印刷电路板与外引线连接，使引线与电路板之间的连接更加可靠。各功能的引线与外部部分的电气连接可采用双线连接，以增加可靠性。电子元器件的选用是电子技术的基础，其质量等级和特性必须满足设计和使用的要求。电路的滤波、接地和屏蔽设计是电路板设计的一部分。电路的滤波、接地和屏蔽设计是针对电磁干扰的三要素，即干扰源、传播路径和敏感器件进行设计的。电路设计与结构设计相结合，使搭接、接地、屏蔽相结合，使滤波器最能满足设计要求。电路保护设计也是电路板设计的一部分。传感器设计本身没有感应元件，无辐射源，内部实行一次性全粘罐密封，不仅增强了传感器抗冲击和振动的能力，提高了可靠性，而且不会对外部环境设备造成危害。传感器的输入输出设计有电气保护，输入电源反接，输出短路和部分电路损坏，输出大于5.6V小于0.85 v的电压不会对系统造成损坏。该电路的合理性在产品的实际飞行中得到了验证。

3.3可靠性设计

1)压敏元件可靠性设计

压敏元件的材料为单晶硅。由于该材料是硬脆材料，在设计弹性结构时必须留有较大的余量，以保证传感器的可靠性。对于传感器中使用的压敏元件的安全性，根据其工作结构的特殊性，可采用弹性力学中的强度能理论将膜片可能感受到的纵向应力和横向应力代入如下公式

求出的等效平均应力，当等效应力小于或接近弹性极限内允许的最大应力时，则弹性元件的最大应力是可采用的．否则必须重新设计．为了保证传感器具有足够高的安全性，通常取 d为小于弹性极限的1．5～2倍．

2)调理电路的可靠性设计

在满足需方技术指标要求的前提下，简化设计，采用精减的电路，用最少的元件实现相应功能。在设计传感器电路时，采用防干扰和辐射屏蔽设计，提高了抗强电磁干扰的能力。输入、输出端采用极性、过压保护措施，以免电源接反或输出与电源短路而造成传感器的损害．输入输出的电连线与电路板连接均有工艺孔，与电连接器连接尽量采用单功能双线连接．

3)结构可靠性设计

在结构设计上，采用尽可能简单的结构完成目标要求，各连接处及危险结构处均进行强度校核，并根据所计算的应力及可靠性应力分布理论进行可靠性预计：根据应力强度干涉理论，结构件工作应力为，材料强度(如硬铝抗拉强度、胶的剪切强度等)为，假设两者均服从正态分布，如图 4 所示

注:为应力的平均值;:为强度均值;为应力的标准差;为强度的标准差。图4应力强度干涉模式

4. 关键技术研究

4.1增强抗电磁干扰能力的措施

传感器的形状和重量已由实际工程确定，滤波电路必须简单实用。本设计使传感器调理电路直流不独立接地(接地)，而是通过高频电容实现交流接地，使干扰有了自己的通路，减少了需要增加滤波电路功能的更多元件，实现了传感器与系统双点接地。这样不仅大大提高了传感器的抗电磁干扰能力，而且没有增加更多的元件。该方法在实际工程应用中得到了验证。

4.2研磨和屏蔽技术

良好的连接是接地和屏蔽(抗干扰)的保证。在传感器的设计过程中，内外共设计了7个重叠点，以保证传感器与系统的良好重叠。使用屏蔽电缆可以防止不必要的辐射和外部干扰。为了获得最大的屏蔽效率，要求屏蔽层末端的接地阻抗非常低，即存在非常小的键阻。电缆的屏蔽层一端与传感器的外壳连接，另一端与地连接，屏蔽层外面有绝缘护套，以保证其屏蔽效果。

4.3非线性补偿技术

非线性补偿是通过电阻回路输出换能器，反馈到压敏元件的电源端，控制压敏元件的电源，达到非线性补偿的目的。对于正非线性的压敏元件，恒流源运放的反相输入需要反馈，反之亦然。