高强度环境适应性压力传感器研制

李乐强，田林涛 ,周 磊，梁 峭，刘 新，唐 慧 ,张弘一

(1.海装西安局，陕西西安 710065；2. 国家国防科技工业局协作配套中心，北京100081；3.沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110043)



高强度环境适应性压力传感器研制

李乐强1，田林涛2,周 磊3，梁 峭3，刘 新3，唐 慧3,张弘一3

(1.海装西安局，陕西西安 710065；2. 国家国防科技工业局协作配套中心，北京100081；3.沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110043)

水下探测装置应用广泛，此类装置通常需要长时间工作在恶劣的环境中，例如高温，强振动、介质腐蚀等。水下探测装置中核心的部件即为压力敏感组件，其性能的优劣对水下探测装置的整体功能起到至关重要的作用。因此，此类压力敏感组件既要具备优良的性能，又要具备高强度的环境适应性。文中介绍的压力传感器采用特殊的结构设计，具有高抗振、耐冲击、耐腐蚀、小型化及高精度等优点，使其可以作为压力敏感组件广泛应用于各种水下探测装置。

抗振；冲击；耐腐蚀；压力传感器

0 引言

水下探测装置应用广泛，其中的核心是基于压力测量的动力装置和控制系统。由于水下环境复杂，尤其是在海洋环境里，因此就要求水下探测装置既要拥有高性能、高稳定性、又要具有很强的环境适应性。

压力敏感组件作为水下探测装置的核心部件，其性能的优劣直接影响着水下探测装置的整体功能。本文介绍的压力传感器作为水下探测装置的压力敏感组件，用于测量探测装置动力组件工作时燃油压力和海水泵出口压力。传感器的工作原理采用扩散硅工作机理，扩散硅材料在敏感技术应用和发展中具有较大的技术优势，并逐步占据了主导地位[1]。扩散硅压力传感器的核心器件为压力敏感芯片，文中压力传感器的压力敏感芯片采用SOI晶圆材料，通过SOI芯片制造工艺技术，实现敏感芯片耐击穿、抗辐照、耐高温，高稳定等特性，从而保证整体产品的高精度、高稳定性及可靠性。在结构方面通过金属材料的选择以及小型化全固态硬封设计，使产品具有体积小、重量轻、高抗振、冲击以及耐腐蚀等特点，满足整机产品高强度环境适应性的要求。

1 产品总体方案设计

根据产品的功能指标要求，产品主要由压力检测单元与信号转换电路单元两部分组成。压力检测单元的功能是将感受的压力信号转换成mV级电信号，其主要由压力接口、硅基小型压力敏感芯体、外壳组件组成。信号转换电路单元的功能是将压力检测单元提供的mV级电信号经放大和滤波后输出0.1～5.1 V的模拟信号并提供给控制系统，从而实现对水下探测装置动力组件工作时的压力测量。信号转换电路单元主要由敏感芯体恒流供电电路、信号放大电路、线性调整电路、滤波电路组成。

为了满足产品坚固耐用、耐振动冲击、耐腐蚀、高可靠性、快速动态响应以及体积小、重量轻，安装使用方便等要求，产品的整体结构设计采用小型一体化结构设计，通过氩弧焊接、电子束焊接等多种焊接及封装工艺将压力检测单元与信号转换电路单元设计安装在同一腔体内，实现传感器结构内无可动部件，强化传感器抗压、抗振动、耐冲击等特性[2]。考虑到测量介质具有腐蚀性，传感器压力接口与敏感芯体隔离膜片采用耐腐蚀材料，满足在苛刻环境下可靠测量工作部位压力的要求。

2 压力检测单元设计

2.1 压力敏感芯体工作原理

压力敏感芯体的工作原理选择扩散硅压阻工作机理。将构成惠斯登电桥的四个扩散硅电阻对称设计在硅体的敏感膜片的正负应变区上，当受到压力p作用时，膜片发生形变，而应力使载流子的运动状态产生变化，导致扩散硅电阻阻值因电阻率随被测介质的压力增加而增加或减小，造成惠斯登电桥的不平衡电压输出与被测压力成线性变化[3]。图2为传感器惠斯登电桥。

图1 传感器外形图

图2 惠斯登电桥

2.2 压力敏感芯体的设计与制作

压力敏感芯体的芯片设计以4″SOI硅晶圆为基片，使用硅压阻敏感芯片的CAD模拟分析设计技术进行敏感芯片的惠斯登桥路版图和弹性体结构版图的设计。以半导体平面工艺技术，在硅片的正面上，将惠斯登电桥制作在硅氧化物上的硅单晶薄层中，形成孤立的体电阻结构，其外围被硅氧化物绝缘层覆盖，实现绝缘介质隔离替代普通单晶硅PN结隔离制作方法。使用微机械加工的各向异性化学腐蚀方法，在硅片的背面上，制作梯形微空腔结构的弹性元件，作为参考压力腔；采用阳极键合工艺，将绝缘玻璃圆片与硅晶圆背面刚性连接，作为参考压力腔的绝缘和应力隔离衬底。

SOI压力敏感芯片的设计制作，从原理上解决了用普通单晶硅片制作的压力敏感芯片在高温下因PN结及表面漏电引起的不稳定性的问题，大大提高了压力敏感芯片的稳定性与可靠性。图3为PN结隔离的敏感芯片与SOI结构隔离的敏感芯片的结构比对示意图。

考虑到恶劣环境的适应性，敏感芯体的封装结构采用隔离密封的充灌结构进行制造。采用引线键合工艺使敏感芯片与管座电极连接；用波纹金属膜片气密性隔离敏感芯片感压腔；保护液被真空净化处理后滴灌入感压腔内，芯片通过不可压缩的保护液同步感受和传输施加在金属膜片上的被测介质压力量。金属膜片、烧结管座、焊环之间采用氩弧焊焊接，有效地避免了胶粘等软连接对传感器性能的影响，使产品满足抗振动、耐冲击等技术要求。同时利用贴片或厚膜电阻网络技术，采用全温区的两点和三点补偿技术，对敏感芯体的零点失调电压、零点和灵敏度的热漂移进行二次温度补偿。图4为敏感芯体封装示意图。

(a)PN结隔离的敏感芯体结构示意图

(b)SOI结构隔离的敏感芯体结构示意图图3 压力敏感芯片示意图

图4 敏感芯体封装示意图

3 信号转换电路单元设计

信号转换电路单元设计包括传感器恒流供电电路、传感器信号放大电路、传感器非线性调整电路和滤波电路4个功能单元。其中传感器恒流供电电路是为压力检测单元中的硅基小型压力敏感芯体提供1 mA激励电源，将压力敏感芯体感受到的压力信号转换成mV级信号提供给信号放大电路。信号放大电路将压力敏感芯体输出的mV级信号通过调零电阻和增益电阻调整使传感器整机输出0.1～5.1 V标准模拟信号。线性调整电路的功能是优化整机产品精度指标。当压力敏感芯体线性度无法满足整机产品的综合精度指标要求时，可通过线性调整电路调整整机产品精度。滤波电路的功能作用是消除杂波，去除干扰。信号转换电路单元设计采用仪用放大电路设计原理，整机产品通过环境试验验证后，满足设计使用要求。

4 可靠性设计

4.1 压力敏感芯片可靠性设计

压力敏感芯片可靠性取决于敏感芯片结构设计、工艺流程设计、工艺稳定性和重复性。采用自主开发的SOI芯片制造工艺，抑制和减小压力敏感芯片的时漂和温漂，保证敏感芯片的高稳定性和低温度漂移；采用自主开发的多层材料的阳极键合技术，对硅片、玻璃进行刚性封接，保证压力敏感芯片的耐冲击、抗振动。

4.2 传感器结构可靠性设计

传感器结构可靠性取决于传感器结构的合与40 ℃下100%、60%、20%的实验，每组数据中左一为分容仪数值，左二为10 ℃下系统估值，左三为40 ℃下系统估值，最大误差为9.1%，平均测量误差为5.1%。

图7 动态放电实验结果

分析10 ℃与40 ℃下的充放电实验结果可知，由于电池对应温度的变化是非线性的动态变化，因此采用温度线性补偿无法完全反应出温度对电池工作状态的影响。但是补偿结果使系统平均检测误差在5%左右，可以满足系统的精度要求，不会在系统中产生误判，补偿系数的选择是合理的。

4 结论

本文以卡尔曼滤波算法为基础，设计了一种磷酸铁锂电池电量管理系统，实现了磷酸铁锂电池的状态检测、电量估算、充放电管理功能。经过验证，系统对电池电量估算的误差在各种环境中均可以达到10%以内，充放电控制准确稳定，达到了较好的效果。

[1] 孟良荣，王金良.电动车电池现状与发展趋势.电池工业,2006,11(3):202-206.

[2] 吴友宇，肖婷，雷东波.电动汽车用动力镍氢电池SOC 建模与仿真.武汉理工大学学报，2008,30(1):55-58

[3] 周宗子，朱刚.磷酸铁锂材料及其动力电池产业化现状及前景.船电技术,2007,27(4):257-260.

[4] 杨朔，何莉萍，钟志华.电动汽车蓄电池荷电状态的卡尔曼滤波估计.贵州工业大学学报(自然科学版),2004,33(1):99-102.

[5] 徐杰.基于卡尔曼滤波的动力电池组SOC精确估计:[学位论文].杭州：杭州科技大学，2009:30-32.

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—)，硕士，研究方向为电池管理系统设计及信息处理。E-mail:798638776@qq.com