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          傳感項目
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          澤天ZPM410壓差(差壓)傳感器研制方案報告

          發布時間:2019-1-6??????發布人:澤天傳感??????點擊:

          1  ZPM410壓差傳感器主要技術指標

          1)測量范圍: 0~50KPa;

          2)基本參數 (1) 激勵電壓:±10V.DC;(2) 零點輸出:≤0.2 mV;(3) 量程輸出:≥12mV;(4) 絕緣電阻:≥100MΩ/100V.DC。

          3)靜態性能 (1) 準確度:0.2級;(2) 非線性:0.2%F.S。

          4)環境性能指標要求  (1) 工作溫度:-40℃~100℃;(2) 儲存溫度:-40℃~100℃;(3) 零點漂移:0.05%F.S/h;(4) 熱零點漂移:0.02%F.S/℃;(5) 熱靈敏度漂移:0.02%F.S/℃。

          2 設計與方案

          2.1產品原理設計

          ZPM410壓差傳感器量程小,為50KPa差壓,產品零點輸出≤0.2mV,產品滿量程輸出≥12mV,在-40℃~100℃范圍內,測量精度0.2級,熱零點漂移和熱靈敏度漂移均小于0.02%FS/℃,這對該產品的綜合性能提出了很高的要求。針對該產品的使用要求和技術要求,提出用硅壓阻式傳感器來實現小量程的差壓測量。硅傳感器的靈敏度系數大,完全能滿足該產品的靈敏度要求,但硅壓阻式的溫度性能較差,在產品的設計過程中,重點設計零點補償與高精度的溫度補償。

          通過硅平面集成工藝技術在硅片上制作四個擴散電阻作為應力敏感元件,用機械研磨加各向同性化學腐蝕方法將硅襯底加工成周邊固支的平膜片彈性力學結構。四個力敏電阻,連成惠斯頓全橋應變電路,這種電路具有最高的靈敏度、最好的溫度補償性能和最高的輸出線性度。硅杯受到一個差值壓力,力敏電阻的電阻率改變,引起電阻阻值改變。電阻率的改變是由于硅膜片的形變引起的,測試端P1與引壓端P2的壓力差與硅膜片的形變成正比,也就是電橋的輸出與壓力差成正比。

          2.2壓敏芯片的設計

          為使用傳感器的線性度滿足0.02%的要求,限制硅膜片上最大應變(50KPa壓強時)不超過200με的微應變。在本項目中,考慮到傳感器要求正、反向≥150KPa的過載,設計平膜片時,將量程設計為100KPa,通過降量程使用進行50KPa的壓力測量,從而確保傳感器在高過載下正常工作。通過對光刻版圖的合理設計,將4個壓敏電阻進行合理布局,利用平膜片中心和邊緣最大的正負應力構成電橋,從而獲得高的靈敏度。

          2.3傳感器的結構設計

          因為產品是微量程差壓測試,為方便安裝,測試壓力端與外引線在軸線方向,將參考壓力端設計與測試壓力端垂直。引壓端口安裝尺寸根據用戶要求進行設計。在傳感器的結構設計上為減輕重量,采用鋁材。為保護產品滿足高強度的振動要求,在產品上將敏感元件進行集成封裝,然后再在整體結構上進行抗振處理。如通過螺紋膠對所有連接部位進行緊固。

          2.4傳感器的補償設計

          理論上,電阻布局設計、制造工藝都力求保證四個橋臂電阻的阻值匹配、阻值的溫度系數匹配,但由于制造工藝中光刻、制版、擴散等工藝的偏差,實際上,同一工藝制作下的四個橋臂電阻阻值和溫度系數不可能完全一致,從而使傳感器有一個初始的零點輸出和一定的溫度誤差,這個誤差超過要求值,就必須對其進行補償。本項目產品中,傳感器要求的初始零點≤0.2mV,而且在-40℃~100℃的溫度范圍內熱零點與熱量程漂移均≤0.02%FS/℃。對硅壓阻式傳感器,必須通過高精度的補償,才能達到這個要求。

          1)零點補償

          無論是恒壓源還是恒流源供電,傳感器橋路平衡的條件都是對臂電阻的乘積相等。傳感器的零點補償就是保證對臂電阻的乘積相等。采用在橋路中串接一個精密電阻,可以精確補償傳感器的零點。

          2)零點溫漂補償

          無論是恒壓源還是恒流源供電,要減小傳感器熱零點漂移,就必須使對臂電阻的乘積相等的前提下,對臂電阻的電阻溫度系數之和相等,或者對臂電阻之乘積與其電阻溫度系數之和的乘積與另一對臂的相等。通過在橋臂電阻上并聯一個阻值很大但溫度系數不一樣的薄膜電阻來改變橋臂電阻的溫度系數,從而達到溫度系數的匹配,實現對傳感器的零點溫漂進行補償。通過測試傳感器的初始零點及其在溫度上限、下限時的輸出,求算出溫漂與零點的補償位置與補償大小,對傳感器的零點與零點溫漂進行補償。

          2. 5工藝設計

          ZPM410差壓傳感器的工藝重點在敏感芯片的封裝工藝,設計了全密封封裝結構對敏感芯片進行保護。ZPM410型壓差傳感器芯片進行獨立封裝,結構如圖1所示。

          圖1  傳感器芯片封裝結構示意圖

          壓阻式壓力傳感器的封裝設計的重點在于保證密封、應力小、抗振等。封裝結構與工藝設計上采用以下幾點:

          1)因為測試量程小,采用粘接技術,將硅杯通過環氧膠與外殼固粘,硅杯的正壓端通過一個Φ2的小孔與測試壓力相連。

          2)硅杯的負壓端嵌入金屬保護層,只通過一個Φ2mm小孔與參考端壓力相通。

          3)采用漆包線壓焊技術,將內引線通過引線柱外引出。

          4)引線柱與外殼燒結成一體,抗振動性強。

          5)硅杯電阻端與外殼、引線柱、金屬保護層之間通過灌充硅膠,形成一體結構,同時,對電阻起保護作用,保證測量精度。

          2.6方案確定

          課題組前述的方案設計,澤天傳感有關專家對方案進行了評審。評審形成了以下幾點主要意見:

          1)用擴散硅壓阻式傳感器進行微量程差壓產品設計,通過高精度的零點補償、零點溫漂補償、量程溫漂補償的總體方案可行。

          2)敏感芯片的制作工藝是重點,要進行重點設計與質量把關,對所用的材料性能要進行前提試驗。

          3)對于硅壓阻式微差壓傳感器,溫漂的補償要有備選方案。通過多種補償手段相結合來保證溫漂滿足設計要求。

          4)在補償方案上,由于外串零點補償電阻的溫度系數遠小于擴散橋臂電阻的溫度系數,將給橋路引入較大的溫度系數,考慮在膜片的非應變區設計一些電阻網絡,串入橋臂電阻中,通過對補償電阻的選取,來補償橋路的零點。因為補償電阻與橋臂電阻具有相同的溫度系數,進行零點補償時,不影響溫度漂移。

          5)然后通過對各種硅凝膠進行比對,盡量選用進口雙組分硅凝膠對硅杯進行封裝,保證在環境溫度改變很大時,內應力很小,不影響引線絲與硅杯性能。

          2.7方案的先進性和正確性、實施的可行性

          采用硅壓阻式傳感器,實現微量程的差壓測量,保證輸出靈敏度達設計要求。再通過先進的串接電阻網絡對傳感器進行零點和零點溫漂補償。采用外串熱敏電阻對靈敏度溫漂進行有效補償。芯片的全密封結構提高抗振性能與可靠性能。該方案正確有效,具有可執行性。澤天傳感有先進的傳感器生產、科研設備,有多年的傳感器設計研究基礎,在此基礎上研究微量程壓差傳感器,基本無技術風險,產品研究涉及的材料可通過協作研究或定制獲得,無其他不可預見的原材料和關鍵技術風險。

          3  研制過程

          用戶在研制過程中,要求壓差傳感器結構小,傳感信號輸出配放大電路放大到0.5V~5V的標準輸出信號。制備能在-40℃~100℃下準確測量50KPa壓力的敏感芯片,進行獨立封裝,并從傳感器結構上實現小量程、高過載(正反向150KPa)的壓差傳感器。針對硅敏感芯片的制作與封裝,進行選材試驗、封裝材料與引線柱的燒結試驗等,確定最終的設計方案,按照設計方案成功制造出功能齊全的產品,再針對技術指標要求的差距和主要工藝實施問題,分析原因,改進設計。研制分兩方面。一方面從結構、工藝、材料等方面進行設計,獲得0.2級精度的微差壓敏感芯片。另一方面進行電路設計,將傳感器輸出信號放大到標準的0.5V~5V信號。經測試,產品的常溫性能在-40℃~100℃滿足技術協議要求的0.2級精度,產品的溫漂也符合技術協議要求。

          4  關鍵工藝技術

          4.1同材質薄膜補償電阻的設計

          由于制造工藝中光刻、制版、擴散等工藝的偏差,實際上,同一工藝制作下的四個橋臂電阻阻值和溫度系數不可能完全一致,使傳感器有一個初始的零點輸出和一定的溫度誤差。由于擴散電阻對溫度很敏感,溫度系數大,隨著溫度越高或越低,非線性也越嚴重,所以,一般產品很難保證在-25℃以下或85℃以上的溫度下有高的測量精度和小的零點溫漂或量程溫漂。

          橋路的初始不平衡可以通過串接或并接外電阻進行補償。由于串接的電阻為精度合金電阻,溫度系數基本為正的,而半導體擴散電阻的溫度系數為負的,所以,對橋路進行零點補償會更加增大傳感器的零點溫漂。對傳感器進行溫漂補償時,不能采用一般的正溫度系數的精密合金電阻,只能采用負溫度系數的半導體熱敏電阻,而這種電阻在寬的環境溫度下,溫度系數的非線性也很大,對擴散硅傳感器進行高精度溫漂補償很難,非線性也較差。

          針對這種情況,在本項目中,從敏感芯片的工藝與版圖設計上就考慮了傳感器的零點補償與溫漂補償。在傳感器的非應變區設計一系列與橋臂電阻同材質、同工藝的補償電阻網絡,通過補償電阻阻值的選取,串接入橋路中,對傳感器進行零點補償。通過四個電阻所帶補償電阻的組合,內阻或者外阻可以補償的電阻范圍,是橋臂電阻的1.3‰~44‰,這個范圍能滿足90%的傳感器的零點補償,而且補償的精度達0.7‰。經試驗統計,對傳感器用10V恒壓供電時,橋路的零點輸出基本能控制在±2000μV范圍內。

          4.2激光修正工藝的設計

          通過薄膜補償電阻網絡的組合,可以將傳感器的零點控制在±2000μV范圍內,但傳感器的零點輸出要求滿足±500μV要求。而且傳感器經過高低溫、加載疲勞、長期的零點時漂后,還要保證輸出在±500μV內,這需要在傳感器的裝配、調試過程中反復補償。僅通過電阻組合或外并電阻補償,工藝調試量大,也很難準確到位。在本項目中,加入了先進的激光調阻工藝,對電阻條的阻值進行修正。激光調阻示意圖如圖2。

          圖2 激光調阻示意圖

          聚焦的激光束修正電阻條的線寬,電阻通過激光可以對電阻柵條的寬度進行微量調整,從而電阻的阻值進行微量調整,修正值偏差±0.1Ω,使電橋阻值滿足R1·R3 =R2·R4的關系(R1、R3為內阻, R2、R4為外阻)。通過激光能量大小、步進速度、束斑大小等參數的調整,可以調節傳感器的零點在±100μV。經過過程老化及后期裝配,保證傳感器的最終零點滿足協議要求。

          5 結語

          通過先進工藝制作的高精度、小量程硅壓阻敏感芯片來進行微壓差50KPa的測量;通過制作同材質電阻網絡進行零點初步補償,激光調阻工藝進行零點精確修正,保證產品的輸出零點為0±0.2mV。通過制作不同溫度系數的電阻網絡進行零點溫漂、靈敏度溫漂補償,保證傳感器的溫漂≤0.02%FS/℃。通過全封裝敏感芯片設計和合理的結構設計,保證傳感器有高的抗振性能。ZPM410型壓差傳感器具有靈敏度高,零點誤差與溫漂誤差小,使用溫度范圍寬,測量準確等特點,其主要技術指標達到國內先進水平。由于壓阻式傳感器的溫漂補償難,進一步拓寬傳感器的使用溫度范圍,提高測試精度是今后的工作重點。同時,針對用戶要求,保證產品質量與抗高強振動前提下,盡量減小產品的質量。本文源自澤天傳感,版權所有,轉載請注明出處。

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