李樂強，田林濤 ,周 磊，梁 峭，劉 新，唐 慧 ,張弘一

(1.海裝西安局，陜西西安 710065；2. 國家國防科技工業(yè)局協(xié)作配套中心，北京100081；3.沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

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高強度環(huán)境適應性壓力傳感器研制

李樂強1，田林濤2,周 磊3，梁 峭3，劉 新3，唐 慧3,張弘一3

(1.海裝西安局，陜西西安 710065；2. 國家國防科技工業(yè)局協(xié)作配套中心，北京100081；3.沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

水下探測裝置應用廣泛，此類裝置通常需要長時間工作在惡劣的環(huán)境中，例如高溫，強振動、介質腐蝕等。水下探測裝置中核心的部件即為壓力敏感組件，其性能的優(yōu)劣對水下探測裝置的整體功能起到至關重要的作用。因此，此類壓力敏感組件既要具備優(yōu)良的性能，又要具備高強度的環(huán)境適應性。文中介紹的壓力傳感器采用特殊的結構設計，具有高抗振、耐沖擊、耐腐蝕、小型化及高精度等優(yōu)點，使其可以作為壓力敏感組件廣泛應用于各種水下探測裝置。

抗振；沖擊；耐腐蝕；壓力傳感器

0 引言

水下探測裝置應用廣泛，其中的核心是基于壓力測量的動力裝置和控制系統(tǒng)。由于水下環(huán)境復雜，尤其是在海洋環(huán)境里，因此就要求水下探測裝置既要擁有高性能、高穩(wěn)定性、又要具有很強的環(huán)境適應性。

壓力敏感組件作為水下探測裝置的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著水下探測裝置的整體功能。本文介紹的壓力傳感器作為水下探測裝置的壓力敏感組件，用于測量探測裝置動力組件工作時燃油壓力和海水泵出口壓力。傳感器的工作原理采用擴散硅工作機理，擴散硅材料在敏感技術應用和發(fā)展中具有較大的技術優(yōu)勢，并逐步占據(jù)了主導地位[1]。擴散硅壓力傳感器的核心器件為壓力敏感芯片，文中壓力傳感器的壓力敏感芯片采用SOI晶圓材料，通過SOI芯片制造工藝技術，實現(xiàn)敏感芯片耐擊穿、抗輻照、耐高溫，高穩(wěn)定等特性，從而保證整體產(chǎn)品的高精度、高穩(wěn)定性及可靠性。在結構方面通過金屬材料的選擇以及小型化全固態(tài)硬封設計，使產(chǎn)品具有體積小、重量輕、高抗振、沖擊以及耐腐蝕等特點，滿足整機產(chǎn)品高強度環(huán)境適應性的要求。

1 產(chǎn)品總體方案設計

根據(jù)產(chǎn)品的功能指標要求，產(chǎn)品主要由壓力檢測單元與信號轉換電路單元兩部分組成。壓力檢測單元的功能是將感受的壓力信號轉換成mV級電信號，其主要由壓力接口、硅基小型壓力敏感芯體、外殼組件組成。信號轉換電路單元的功能是將壓力檢測單元提供的mV級電信號經(jīng)放大和濾波后輸出0.1～5.1 V的模擬信號并提供給控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對水下探測裝置動力組件工作時的壓力測量。信號轉換電路單元主要由敏感芯體恒流供電電路、信號放大電路、線性調整電路、濾波電路組成。

為了滿足產(chǎn)品堅固耐用、耐振動沖擊、耐腐蝕、高可靠性、快速動態(tài)響應以及體積小、重量輕，安裝使用方便等要求，產(chǎn)品的整體結構設計采用小型一體化結構設計，通過氬弧焊接、電子束焊接等多種焊接及封裝工藝將壓力檢測單元與信號轉換電路單元設計安裝在同一腔體內，實現(xiàn)傳感器結構內無可動部件，強化傳感器抗壓、抗振動、耐沖擊等特性[2]?？紤]到測量介質具有腐蝕性，傳感器壓力接口與敏感芯體隔離膜片采用耐腐蝕材料，滿足在苛刻環(huán)境下可靠測量工作部位壓力的要求。

2 壓力檢測單元設計

2.1 壓力敏感芯體工作原理

壓力敏感芯體的工作原理選擇擴散硅壓阻工作機理。將構成惠斯登電橋的四個擴散硅電阻對稱設計在硅體的敏感膜片的正負應變區(qū)上，當受到壓力p作用時，膜片發(fā)生形變，而應力使載流子的運動狀態(tài)產(chǎn)生變化，導致擴散硅電阻阻值因電阻率隨被測介質的壓力增加而增加或減小，造成惠斯登電橋的不平衡電壓輸出與被測壓力成線性變化[3]。圖2為傳感器惠斯登電橋。

圖1 傳感器外形圖

圖2 惠斯登電橋

2.2 壓力敏感芯體的設計與制作

壓力敏感芯體的芯片設計以4″SOI硅晶圓為基片，使用硅壓阻敏感芯片的CAD模擬分析設計技術進行敏感芯片的惠斯登橋路版圖和彈性體結構版圖的設計。以半導體平面工藝技術，在硅片的正面上，將惠斯登電橋制作在硅氧化物上的硅單晶薄層中，形成孤立的體電阻結構，其外圍被硅氧化物絕緣層覆蓋，實現(xiàn)絕緣介質隔離替代普通單晶硅PN結隔離制作方法。使用微機械加工的各向異性化學腐蝕方法，在硅片的背面上，制作梯形微空腔結構的彈性元件，作為參考壓力腔；采用陽極鍵合工藝，將絕緣玻璃圓片與硅晶圓背面剛性連接，作為參考壓力腔的絕緣和應力隔離襯底。

SOI壓力敏感芯片的設計制作，從原理上解決了用普通單晶硅片制作的壓力敏感芯片在高溫下因PN結及表面漏電引起的不穩(wěn)定性的問題，大大提高了壓力敏感芯片的穩(wěn)定性與可靠性。圖3為PN結隔離的敏感芯片與SOI結構隔離的敏感芯片的結構比對示意圖。

考慮到惡劣環(huán)境的適應性，敏感芯體的封裝結構采用隔離密封的充灌結構進行制造。采用引線鍵合工藝使敏感芯片與管座電極連接；用波紋金屬膜片氣密性隔離敏感芯片感壓腔；保護液被真空凈化處理后滴灌入感壓腔內，芯片通過不可壓縮的保護液同步感受和傳輸施加在金屬膜片上的被測介質壓力量。金屬膜片、燒結管座、焊環(huán)之間采用氬弧焊焊接，有效地避免了膠粘等軟連接對傳感器性能的影響，使產(chǎn)品滿足抗振動、耐沖擊等技術要求。同時利用貼片或厚膜電阻網(wǎng)絡技術，采用全溫區(qū)的兩點和三點補償技術，對敏感芯體的零點失調電壓、零點和靈敏度的熱漂移進行二次溫度補償。圖4為敏感芯體封裝示意圖。

(a)PN結隔離的敏感芯體結構示意圖

(b)SOI結構隔離的敏感芯體結構示意圖圖3 壓力敏感芯片示意圖

圖4 敏感芯體封裝示意圖

3 信號轉換電路單元設計

信號轉換電路單元設計包括傳感器恒流供電電路、傳感器信號放大電路、傳感器非線性調整電路和濾波電路4個功能單元。其中傳感器恒流供電電路是為壓力檢測單元中的硅基小型壓力敏感芯體提供1 mA激勵電源，將壓力敏感芯體感受到的壓力信號轉換成mV級信號提供給信號放大電路。信號放大電路將壓力敏感芯體輸出的mV級信號通過調零電阻和增益電阻調整使傳感器整機輸出0.1～5.1 V標準模擬信號。線性調整電路的功能是優(yōu)化整機產(chǎn)品精度指標。當壓力敏感芯體線性度無法滿足整機產(chǎn)品的綜合精度指標要求時，可通過線性調整電路調整整機產(chǎn)品精度。濾波電路的功能作用是消除雜波，去除干擾。信號轉換電路單元設計采用儀用放大電路設計原理，整機產(chǎn)品通過環(huán)境試驗驗證后，滿足設計使用要求。

4 可靠性設計

4.1 壓力敏感芯片可靠性設計

壓力敏感芯片可靠性取決于敏感芯片結構設計、工藝流程設計、工藝穩(wěn)定性和重復性。采用自主開發(fā)的SOI芯片制造工藝，抑制和減小壓力敏感芯片的時漂和溫漂，保證敏感芯片的高穩(wěn)定性和低溫度漂移；采用自主開發(fā)的多層材料的陽極鍵合技術，對硅片、玻璃進行剛性封接，保證壓力敏感芯片的耐沖擊、抗振動。

4.2 傳感器結構可靠性設計

傳感器結構可靠性取決于傳感器結構的合與40 ℃下100%、60%、20%的實驗，每組數(shù)據(jù)中左一為分容儀數(shù)值，左二為10 ℃下系統(tǒng)估值，左三為40 ℃下系統(tǒng)估值，最大誤差為9.1%，平均測量誤差為5.1%。

圖7 動態(tài)放電實驗結果

分析10 ℃與40 ℃下的充放電實驗結果可知，由于電池對應溫度的變化是非線性的動態(tài)變化，因此采用溫度線性補償無法完全反應出溫度對電池工作狀態(tài)的影響。但是補償結果使系統(tǒng)平均檢測誤差在5%左右，可以滿足系統(tǒng)的精度要求，不會在系統(tǒng)中產(chǎn)生誤判，補償系數(shù)的選擇是合理的。

4 結論

本文以卡爾曼濾波算法為基礎，設計了一種磷酸鐵鋰電池電量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了磷酸鐵鋰電池的狀態(tài)檢測、電量估算、充放電管理功能。經(jīng)過驗證，系統(tǒng)對電池電量估算的誤差在各種環(huán)境中均可以達到10%以內，充放電控制準確穩(wěn)定，達到了較好的效果。

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Design of Pressure Transmitter with High Strength and Environment Adaptability

LI Le-qiang1, TIAN Lin-tao2, ZHOU Lei3, LIANG Qiao3, LIU Xin3, TANG Hui3, ZHANG Hong-yi3

(1. Navy Equipment of Xi ’an Bureau，Xi’an 710065，China; 2. SASTIND, Beijing 100081,China;3. Shenyang Academy of Instrumentation Science Ltd. , Shenyang 110043,China)

Underwater detection device is widely used in scientific research and weapon equipment, these devices are usually need long time work in very bad environment,such as high temperature, strong vibration, corrosion medium,etc.The most core components of the underwater detection device are the pressure sensitive components,the performance of which plays a crucial role in deciding the overall performance of the underwater detection.Therefore,this kind of pressure sensitive components needs to have excellent performance and t high environmental adaptability.In this paper introduced the special structural designed pressure transmitter,with the advantages of high vibration resistance,impact resistance,corrosion resistant ability,miniaturization and high precision,and it can be widely used as a pressure sensitive component in many kinds of underwater detection device.

vibration resistance;impact;corrosion resistance;pressure transmitter

2014-10-08

TP271

A

1002-1841(2015)03-0072-02

李然(1989—)，碩士，研究方向為電池管理系統(tǒng)設計及信息處理。E-mail:798638776@qq.com