王 凡， 崔宏敏， 宗義仲， 王文博

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

電容式薄膜真空壓力傳感器設(shè)計(jì)

王 凡， 崔宏敏， 宗義仲， 王文博

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了滿(mǎn)足在工程型號(hào)上的使用要求，解決真空壓力傳感器敏感探頭殼體與傳感器殼體隔離絕緣問(wèn)題；傳感器輸出信號(hào)非線(xiàn)性的補(bǔ)償問(wèn)題；傳感器熱零點(diǎn)漂移的全電路的溫度補(bǔ)償問(wèn)題，采用電容式薄膜封裝結(jié)構(gòu)，殼體為電容的另一極，在0.1～100 Pa的范圍內(nèi)進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了傳感器0.2 %FS的測(cè)量精度。

電容式薄膜真空壓力傳感器； 零點(diǎn)漂移； 溫度補(bǔ)償

0 引 言

隨著我國(guó)空間探測(cè)技術(shù)和工程的發(fā)展，在地球應(yīng)用衛(wèi)星和載人航天器的基礎(chǔ)上進(jìn)行深空探測(cè)活動(dòng)，是進(jìn)一步了解宇宙、太陽(yáng)系和認(rèn)識(shí)地球生命起源和演化過(guò)程的重要手段，也是我國(guó)深空探測(cè)工程的發(fā)展方向和目標(biāo)。在未來(lái)幾十年,我國(guó)將對(duì)火星進(jìn)行深入的探測(cè)活動(dòng)，這就對(duì)真空壓力的測(cè)量提出了新的要求[1]。目前，在現(xiàn)有的真空計(jì)中，如熱偶效應(yīng)原理和熱電阻效應(yīng)原理的真空計(jì)非線(xiàn)性較大，一般為±5 %，測(cè)量下限為102 Pa，存在較大的氣體選擇性；電離效應(yīng)原理的真空計(jì)非線(xiàn)性也較大,為±5 %，測(cè)量下限為10-4Pa，具有氣體選擇性；這幾種真空計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中將存在著較大的測(cè)試誤差[2]；硅壓阻效應(yīng)原理和硅基薄膜電容效應(yīng)原理的真空計(jì)，非線(xiàn)性小，測(cè)量精度高，沒(méi)有氣體選擇性，由于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有較好的解決微壓力感知膜片厚度的加工減薄工藝問(wèn)題，測(cè)量下限只能為1 kPa左右[3～5]，達(dá)不到真空測(cè)量的下限要求；而電容式薄膜效應(yīng)原理的真空計(jì)，具有體積和重量都較大，靈敏度高，沒(méi)有氣體選擇性，測(cè)量下限為10-2Pa[6]，探頭殼體為電容的一極，輸出信號(hào)為非線(xiàn)性等特點(diǎn)。

為了解決上述原理的真空計(jì)不能完全滿(mǎn)足空間探測(cè)工程的應(yīng)用需要，本文研制了能夠滿(mǎn)足空間探測(cè)工程需要的電容式薄膜真空壓力傳感器。

1 傳感器總體設(shè)計(jì)

傳感器總體設(shè)計(jì)如圖1所示，當(dāng)通過(guò)阻尼管對(duì)傳感器抽氣管抽真空時(shí)，管內(nèi)壓力減小，真空度增大，薄膜彈性膜片向下開(kāi)始移動(dòng)，與上電極之間產(chǎn)生距離為d，根據(jù)平板電容效應(yīng)原理，即C=8.86×10-12εR2π/d，進(jìn)氣管內(nèi)的壓力發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)電極間隙距離隨之變化，而引起電容變化，通過(guò)調(diào)理電路的調(diào)理，可以獲得由電容變化而獲得的電壓信號(hào)輸出。利用校準(zhǔn)的方法，可以建立真空壓力與傳感器輸出電壓的關(guān)系，獲得真空壓力。

圖1 傳感器組成示意圖

2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 材料的選擇

傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮外殼封裝材料應(yīng)與薄膜彈性膜片的材料要有相近的熱膨脹系數(shù)、相同的耐腐蝕特性和可焊性，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循的基本原則。真空壓力敏感探頭主要?dú)んw封裝材料選用不銹鋼(316L)，薄膜彈性膜片選用鎳基合金(712)，上電極材料選用95#高純Al2O3，電極鍍膜為銀鈀合金漿料，引腳與上電極采用彈性導(dǎo)電材料壓接，形成無(wú)引線(xiàn)連接體將電容信號(hào)引出，調(diào)整墊圈材料選用不銹鋼(316L)。傳感器外殼材料選用鋁合金材料，降低傳感器的重量，隔離絕緣結(jié)構(gòu)件選用環(huán)氧樹(shù)脂玻璃布棒(3841)加工，密封材料選用硅橡膠材料的“O”型圈，通過(guò)這些材料的設(shè)計(jì)、加工、裝配、調(diào)試和校準(zhǔn)測(cè)試，完成電容式薄膜真空壓力傳感器的工藝研究過(guò)程。

2.2 薄膜彈性膜片設(shè)計(jì)

薄膜電容式真空壓力傳感器在不同量程時(shí)，膜片的厚度是不同的，與上電極間的距離也不相同。在一般情況下，薄膜彈性膜片厚度遠(yuǎn)小于變形量時(shí)，可根據(jù)大撓度理論建立的特性方程，進(jìn)行分析和近似計(jì)算，獲得最大撓度的近似解為

(1)

式中 ω為最大撓度，mm；p為薄膜彈性膜片感受的壓強(qiáng)，Pa；μ為薄膜彈性膜片的材料泊松比(取值0.272)；R為薄膜彈性膜片的半徑，cm；h為薄膜彈性膜片的厚度，cm；E為薄膜彈性膜片彈性模量(200×109)，Pa。

理論設(shè)計(jì)，在薄膜彈性膜片半徑為36mm，薄膜彈性膜片厚度為0.045mm時(shí)，由式(1)計(jì)算薄膜彈性膜片最大撓度為0.16mm，在考慮冗余設(shè)計(jì)后，最終確定薄膜彈性膜片與上電極間的距離設(shè)計(jì)為0.2mm。

2.3 薄膜彈性膜片與上電極間隙設(shè)計(jì)和控制

在傳感器結(jié)構(gòu)封裝后，保證上電極與薄膜彈性膜片在下限(0.1Pa)測(cè)量時(shí)，距離滿(mǎn)足理論設(shè)計(jì)要求，在外殼結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，外殼安裝止口高度和上電極安裝止口高度要求對(duì)加工尺寸偏差進(jìn)行控制，經(jīng)結(jié)構(gòu)封裝后，薄膜彈性膜片與上電極間的距離控制范圍應(yīng)為0.16～0.22mm，如圖2所示。

圖2 外殼止口高度和上電極安裝止口高度控制圖

由于結(jié)構(gòu)件加工因素的影響，一般情況下，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)件裝配后，薄膜彈性膜片與上電極間的距離均偏大，在0.25～0.32 mm范圍內(nèi)。為了保證與設(shè)計(jì)要求相符合，通過(guò)對(duì)半成品止口高度的精加工的控制，實(shí)現(xiàn)薄膜彈性膜片與上電極間的距離為0.2 mm，使得每只傳感器的信號(hào)輸出在一定的范圍內(nèi)，可以滿(mǎn)足傳感器的一致性要求。

2.4 隔離絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配控制

傳感器隔離絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是將電容式薄膜真空壓力敏感探頭抽氣管口處留3 mm高度，與固定件用氬弧焊接固定，它與接頭之間用O型圈、內(nèi)密封環(huán)和外密封環(huán)隔離，用6個(gè)絕緣墊圈將6個(gè)沉頭螺釘安裝在傳感器殼體上，在6個(gè)螺釘均勻擰緊后，O型圈沿軸向被壓縮大于20 %時(shí)，就將固定件與殼體之間的兩個(gè)安裝平面密封，密封的程度按小于1×10-9Pa·m3/s值，用氦質(zhì)譜檢漏方法確定。傳感器殼體內(nèi)部空隙，用GN521硅膠灌填，在加固電容式薄膜真空壓力敏感探頭同時(shí)，也減小了振動(dòng)和沖擊傳感器零點(diǎn)輸出的影響。密封和隔離結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 隔離結(jié)構(gòu)放大圖

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 電路總體設(shè)計(jì)

真空壓力傳感器電路將根據(jù)電容式薄膜真空壓力敏感探頭的功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)，主要考慮將兩個(gè)電極間的間隙變化轉(zhuǎn)換成電容信號(hào)的變化，然后通過(guò)調(diào)理電路將其調(diào)理成滿(mǎn)足要求的電壓信號(hào)。如圖4所示。各部分完成了電路的內(nèi)外保護(hù)、干擾的濾除、傳感器的供電及電容信號(hào)變換與放大調(diào)理等功能。

圖4 傳感器工作原理框圖

3.2 自適應(yīng)線(xiàn)性補(bǔ)償原理

真空壓力傳感器是基于平板電容原理，即C=K×1/d，即傳感器輸出電容是兩個(gè)極板間距離的反比函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明傳感器探頭是具有非線(xiàn)性特征，具體情況如圖5所示。

圖5 輸出電容于極板間隙的關(guān)系曲線(xiàn)

作為真空計(jì)進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試時(shí)，它的測(cè)試精度會(huì)很高；但作為真空壓力傳感器，要求全量程測(cè)試精度時(shí)，則它的測(cè)試精度會(huì)很低。為了解決該傳感器的非線(xiàn)性問(wèn)題，在電容效應(yīng)的傳感器中，往往選擇差動(dòng)式直流充電法將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[7]，還有開(kāi)關(guān)檢波電路法將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后采用單片機(jī)技術(shù)對(duì)其信號(hào)進(jìn)一步處理[8]。在傳感器電路設(shè)計(jì)中，考慮到產(chǎn)品可靠性問(wèn)題時(shí)，一般不會(huì)考慮這樣的電路處理方法。所以，需要設(shè)計(jì)一種可靠性高的交流放大電路，能夠在信號(hào)放大過(guò)程中自適應(yīng)地補(bǔ)償非線(xiàn)性，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出電壓信號(hào)Vo與兩個(gè)極板間距離d為正比關(guān)系的目的。這種電路應(yīng)當(dāng)具有的傳遞函數(shù)為k=Vo/Vi=K·d，使傳感器輸出電壓信號(hào)為Vo=K·d·Vi的線(xiàn)性關(guān)系。使傳感器輸出電壓信號(hào)自適應(yīng)地得到自動(dòng)線(xiàn)性補(bǔ)償。

3.3 自適應(yīng)線(xiàn)性補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

根據(jù)自適應(yīng)線(xiàn)性補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)一種交流放大電路，其電路原理如圖6所示。其中，Ui為交流激勵(lì)電源電壓，工作頻率為f，Uo為電路的輸出電壓，工作頻率為f，電路的傳遞函數(shù)應(yīng)為

(2)

式中 Uo為電路的輸出電壓，V；Ui為交流激勵(lì)電源電壓，V；C1為電路的輸入極電容，pF；Cx為傳感器探頭的輸出電容，pF；d為兩個(gè)極板間距離，mm；K＇為比例常數(shù)。通過(guò)該電路后，輸入輸出電壓信號(hào)呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，這一結(jié)果與自適應(yīng)線(xiàn)性補(bǔ)償原理分析一致，傳感器輸出信號(hào)為線(xiàn)性，如圖7所示。

圖6 交流放大電路原理

圖7 傳感器的輸出特征曲線(xiàn)

3.4 熱零點(diǎn)漂移補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

真空壓力傳感器探頭在結(jié)構(gòu)封裝時(shí)需要高溫加熱和抽真空處理，由于內(nèi)部真空度、結(jié)構(gòu)的漏率、上下電極材料熱膨脹系數(shù)的差異性和調(diào)理電路的溫度特性都會(huì)影響真空壓力傳感器熱零點(diǎn)漂移的大小。電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到這些因素，采用全電路補(bǔ)償方式，在直流信號(hào)調(diào)零電路中采用熱敏電阻器與固定電阻器串聯(lián)分壓進(jìn)行傳感器零點(diǎn)輸出的調(diào)試。全電路溫度補(bǔ)償方式見(jiàn)圖8。當(dāng)傳感器需要溫度補(bǔ)償時(shí)，首先將R19焊接位短接，在(25±2)℃的環(huán)境中，用真空校準(zhǔn)裝置，調(diào)試傳感器零點(diǎn)輸出達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)值，然后在-25～40 ℃的溫度中測(cè)試傳感器零點(diǎn)輸出的漂移值，計(jì)算傳感器溫漂系數(shù)和漂移方向。根據(jù)這個(gè)溫漂系數(shù)和漂移方向確定合適的熱敏電阻器，焊接在R19的焊位上。需要再重新調(diào)零時(shí)，觀察傳感器在-25～40℃的溫度中的熱零點(diǎn)漂移情況是否滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)調(diào)試，直到傳感器熱零點(diǎn)漂移小于0.04 %FS/℃才滿(mǎn)足要求。全電路補(bǔ)償結(jié)果如表1所示。

圖8 全電路溫度補(bǔ)償電路

4 傳感器校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

用真空校準(zhǔn)裝置在20 ℃下對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)后，得到的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算處理結(jié)果：非線(xiàn)性0.116 6 %FS,遲滯0.047 %FS,重復(fù)性0.011 88 %FS,準(zhǔn)確度0.129 67 %FS,零點(diǎn)輸出1.002 5 V,滿(mǎn)量程輸出3.998 85 V,靈敏度0.039 99 V/Pa。

表1 全電路零點(diǎn)補(bǔ)償結(jié)果

圖9 正反行程測(cè)試曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)電容式薄膜真空壓力傳感器的研究和設(shè)計(jì)，獲得了一種能夠滿(mǎn)足空間探測(cè)工程需要的真空壓力傳感器產(chǎn)品，在產(chǎn)品中采用了敏感探頭的封裝工藝技術(shù)、自適應(yīng)非線(xiàn)性補(bǔ)償電路技術(shù)、全電路溫度補(bǔ)償電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品在0.1～100 Pa范圍內(nèi)，測(cè)量精度優(yōu)于0.2 %FS。對(duì)敏感探頭與傳感器殼體之間設(shè)計(jì)隔離絕緣結(jié)構(gòu)，解決傳感器殼體與電源地分離問(wèn)題，滿(mǎn)足空間探測(cè)工程的要求。

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Design of capacitive thin film vacuum pressure sensor

WANG Fan， CUI Hong-min， ZONG Yi-zhong, WANG Wen-bo

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

In order to meet the requirements of engineering models.In the research of the capacitive thin film vacuum pressure sensor,solve problems of insulation isolation between sensitive probe case and sensor case,nonlinearity compensation of sensor output signals,full circuits temperature compensation of thermal zero point drift use capacitive thin film packaging structure,shell of sensor acts as a pole of the capacitor,calibration test is performed in measuring pressure range of(0.1～ 100)Pa,0.2 % FS measurement precision is achieved.

capacitive thin film vacuum pressure sensor; zero point drift; temperature compensation

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0084—03

2016—12—12

TP 212

A

1000—9787(2017)03—0084—03

王 凡(1958-)，男，高級(jí)工程師，從事傳感器應(yīng)用技術(shù)研究和設(shè)計(jì)工作。