【摘 要】我國(guó)航天飛行器和宇航員專用的一些特殊的傳感器，部分需要進(jìn)口，例如宇航服專用的能輸出兩路壓力信號(hào)的傳感器，為了替代國(guó)外進(jìn)口件，滿足我國(guó)航天科技在快速提升過(guò)程中對(duì)特種元器件的需求。為此，我們利用周邊固支彈性膜片的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)?，設(shè)計(jì)和制作了符合用戶要求的性能良好的雙冗余壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了大量程雙冗余壓力傳感器的國(guó)產(chǎn)化。

【關(guān)鍵詞】雙冗余，壓力傳感器，薄膜應(yīng)變計(jì)，彈性元件

引言：

隨著我國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，更多先進(jìn)的新技術(shù)、新工藝得到了迅速的發(fā)展和普及應(yīng)用。但是，在高性能元器件方面，我國(guó)與國(guó)外技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有較大的差距，如用于航天服上氣瓶壓力監(jiān)測(cè)的35MPa大量程雙冗余壓力傳感器，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有現(xiàn)成的成熟產(chǎn)品和技術(shù)，只能用兩只傳感器進(jìn)行代替，增加了航天服的成本、體積和重量，降低了航天飛船的資源運(yùn)載能力。

冗余設(shè)計(jì)技術(shù)是提高產(chǎn)品可靠性水平的有效設(shè)計(jì)技術(shù)之一，能以最小的代價(jià)最大限度的提高產(chǎn)品的可靠性。常見(jiàn)的冗余技術(shù)有硬件冗余和解析冗余。為此，應(yīng)用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，在不顯著增加成本、體積、重量和信息計(jì)算量的前提下，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的雙冗余功能，研制出性能優(yōu)越的雙冗余濺射薄膜壓力傳感器。

我們利用離子束濺射薄膜技術(shù)，在周邊固支圓膜片上制作了兩個(gè)薄膜應(yīng)變計(jì)，經(jīng)內(nèi)外引線形成兩個(gè)惠斯通全橋，研制出了性能指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品（表1），可完全替代進(jìn)口的35MPa應(yīng)變式雙冗余薄膜壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化。

一、傳感器原理

應(yīng)變式周邊固支敏感元件的感壓面受到均布?jí)毫ψ饔脮r(shí)，彈性膜片發(fā)生彈性形變，通過(guò)絕緣層傳遞到應(yīng)變計(jì)的敏感柵，使敏感柵發(fā)生拉伸或壓縮形變，敏感柵的電阻值亦隨之增大或減小。本論文中，我們通過(guò)在彈性膜片上的中心和邊緣位置各制作4個(gè)等值電阻，組成兩個(gè)相互獨(dú)立的惠斯通全橋，當(dāng)給全橋以一定的電壓或電流激勵(lì)時(shí)，可以將彈性材料受壓力產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為與壓力成近似線性關(guān)系的差模電壓輸出，實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量，如圖1所示。

敏感元件制作完成后，僅需增加一個(gè)調(diào)理電路板，即可在同一個(gè)傳感器中實(shí)現(xiàn)兩路相互獨(dú)立的壓力信號(hào)測(cè)量輸出，實(shí)現(xiàn)傳感器的雙冗余設(shè)計(jì)，既不會(huì)大幅增加體積、重量和信息計(jì)算量，又降低了成本。

二、敏感元件設(shè)計(jì)

敏感元件由彈性體和彈性體上的濺射薄膜應(yīng)變計(jì)組成。我們采用的是周邊固支彈性圓膜片，如圖2（a）所示。圓膜片內(nèi)部受向上的壓力P作用，在它的外表面上沿徑向D每點(diǎn)r（r為距圓膜片中心O距離）都產(chǎn)生徑向應(yīng)力σr，切向應(yīng)力σt及其對(duì)應(yīng)的徑向應(yīng)變?chǔ)舝，切向應(yīng)變?chǔ)舤。圓膜片r=0中心位移（撓度）最大，如圖2（b）和（c）所示。在r=處，徑向應(yīng)力和應(yīng)變均為零。在趨向r=R區(qū)間為負(fù)向壓應(yīng)力，r=R時(shí)徑向壓應(yīng)力最大，但非線性也很大。另外，趨向r=0區(qū)間為正向拉應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變線性較好。而在圖2（b）中，切向應(yīng)變呈拉應(yīng)力，且在r=0時(shí)最大，線性最好。在r=R處，切向應(yīng)力最小而切向應(yīng)變?yōu)榱?。根?jù)這個(gè)圓形膜片應(yīng)力-應(yīng)變的分布特點(diǎn)，要求應(yīng)變計(jì)柵條圖形的軸向方向應(yīng)與切向應(yīng)力或徑向應(yīng)力方向完全一致，且布置在對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力方向（切向或徑向）可以得到最大輸出，傳感器靈敏度高。但是，傳感器的靈敏度與它的非線性是一對(duì)矛盾的參數(shù)。因此，必須兼顧非線性要求，犧牲一定的靈敏度而適當(dāng)提高非線性。因此，外阻柵條布置在r接近R的位置，而內(nèi)阻布置在圓膜片中心。圖3示出了兩種版圖，圖3（a）版圖內(nèi)阻為弧形柵條，它充分利用了圓中心區(qū)域線性最好的應(yīng)變，圖3（b）版圖內(nèi)阻和外阻都是條形電阻，條形電阻的取向全部與它的徑向方向一致。

上述柵條圖形和布圖的結(jié)果，經(jīng)傳感器實(shí)物標(biāo)定測(cè)試，得到靈敏度在1.8mV/V左右，非線性在0.1%左右，綜合精度為0.1～0.2級(jí)。

三、敏感元件制作

根據(jù)周邊固支圓膜片小撓度理論下的應(yīng)力-應(yīng)變分布曲線關(guān)系，確定周邊固支彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸及應(yīng)變電阻敏感柵的布置位置后，利用我所成熟的離子束濺射薄膜制作工藝，及離子束刻蝕工藝，進(jìn)行敏感元件的制作。主要工藝流程如圖4所示，圖5所示為雙冗余壓力傳感器敏感元件及實(shí)物圖。

敏感元件采用17-4PH作為彈性體，經(jīng)過(guò)研磨、拋光后，用離子束濺射依次沉積SiO2絕緣膜、NiCr應(yīng)變電阻膜，然后通過(guò)光刻將應(yīng)變圖形刻在NiCr應(yīng)變電阻膜表面，再利用離子束刻蝕方法對(duì)NiCr應(yīng)變圖形進(jìn)行刻蝕，獲得敏感元件所需的應(yīng)變柵。接著，通過(guò)Lift-off剝離工藝在應(yīng)變計(jì)引線焊盤上沉積Au，最后，再次通過(guò)Lift-off剝離工藝在應(yīng)變計(jì)上除引線焊盤以外的表面沉積保護(hù)膜SiO2。最終制作完成應(yīng)變式雙冗余薄膜壓力傳感器。

四、測(cè)試分析

對(duì)制作完成的敏感元件焊接封裝和處理后，進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果分析如下。

（一）常溫靜態(tài)性能

首先對(duì)封裝處理后的傳感器進(jìn)行了常溫20℃下的靜態(tài)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和表3。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)平移端基直線方法計(jì)算獲得了雙冗余壓力傳感器的非線性和精度性能，與國(guó)外樣機(jī)比較，非線性和精度完全滿足要求，見(jiàn)表4。而且傳感器的遲滯、重復(fù)性也達(dá)到了目前同類型的濺射薄膜壓力傳感器指標(biāo)要求。版圖A的雙橋靈敏度之和為3.681mV/V，大于版圖B的雙橋靈敏度之和3.493 mV/V，符合周邊固支圓膜片小撓度理論下，膜片中心切向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變的分析。對(duì)于兩種版圖中出現(xiàn)的其中一個(gè)全橋較另一個(gè)全橋靈敏度低，分析認(rèn)為是由于在光刻1過(guò)程中，版圖與膜片沒(méi)有完全居中對(duì)齊，而是稍稍有點(diǎn)偏移，導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)阻值的滿量程微應(yīng)變量有所偏差，造成兩個(gè)全橋的靈敏度有所差異。為此，我們測(cè)試了傳感器版圖B在常溫20℃下的滿量程電阻變化量，結(jié)果見(jiàn)表5所示，與分析的結(jié)果一致。

（二）一致性

為進(jìn)一步了解傳感器的一致性，包括雙橋路輸出的靜態(tài)性能一致性，溫度性能一致性，我們對(duì)傳感器在高溫70℃、低溫-25℃下的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6和表7。版圖A和B的雙橋路輸出性能在精度、熱零點(diǎn)漂移、熱靈敏度漂移和零點(diǎn)時(shí)漂均表現(xiàn)出較高一致性，優(yōu)于樣件產(chǎn)品1%FS指標(biāo)的一致性。

（三）存在的問(wèn)題

由于傳感器的雙橋在敏感元件上距離較近，當(dāng)雙路傳感器同時(shí)通電工作時(shí)相互之間產(chǎn)生電磁干擾，使零點(diǎn)輸出發(fā)生恒定的輸出偏移，較單獨(dú)激勵(lì)工作時(shí)的零點(diǎn)輸出偏大，但這種干擾通過(guò)柵條組合設(shè)計(jì)和雙橋激勵(lì)電流方向的調(diào)整使其盡量減小，而且不影響靈敏度輸出。在不同的激勵(lì)電壓下，零點(diǎn)輸出偏移變化量不一樣，如圖6所示。在6V以下的電壓激勵(lì)下，零點(diǎn)隨激勵(lì)電壓的改變基本呈線性變化，當(dāng)激勵(lì)電壓超出6V以后，零點(diǎn)輸出偏移隨激勵(lì)電壓的改變呈較快變化，表現(xiàn)出明顯的非線性。

雖然傳感器中任意一全橋的激勵(lì)電壓通或斷，均會(huì)影響另一全橋的零點(diǎn)輸出，但在通或斷電的兩種狀態(tài)下，傳感器輸出性能不變，只是零點(diǎn)輸出發(fā)生偏移，圖7所示。其中，曲線a為僅全橋1通電激勵(lì)時(shí)輸出曲線，曲線b為雙橋路同時(shí)通電激勵(lì)時(shí)全橋1輸出曲線

五、結(jié)論

利用周邊固支圓膜片小撓度理論的應(yīng)力-應(yīng)變分布曲線關(guān)系，設(shè)計(jì)和制作了兩種版圖的雙冗余壓力傳感器，測(cè)試結(jié)果表明，兩種版圖的傳感器均具有良好的靜態(tài)特性和一致性，性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外樣件，完全滿足用戶使用要求。但是存在的零點(diǎn)干擾問(wèn)題也應(yīng)引起重視，并將在下一步工作中通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行解決。

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作者簡(jiǎn)介：

藍(lán)鎮(zhèn)立，男，1980.12，碩士研究生，工程師，研究方向：薄膜壓力傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所。