充油MEMS压力传感器研制

盛文军，陈丛，钱江蓉，胡国俊

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

压力传感器广泛应用于航空航天、军工、铁路交通、管道等各种工业自控环境。随着工业自动化水平的不断提高，高精度、高可靠性压力传感器的需求也越来越大。目前应用较为广泛的压力传感器为陶瓷压力传感器，这种传感器精度较差，无法满足高端领域的传感器应用需求。充油MEMS压力传感器，是一种基于MEMS技术的压阻式压力传感器。MEMS压力传感器芯片整个密封在硅油当中，外部压力介质直接接触波纹膜片。基于这种原理，本文开发了一种MEMS充油压力传感器，能够实现较高的压力测量精度，具有良好的可靠性，可以兼容液体、气体等各种工作介质。

1 传感器结构

充油MEMS压力传感器基本结构如图1左所示，压环和基座的材料为316不锈钢，不锈钢波纹膜片直接感受外部工作介质的压力，三者通过激光焊接在一起。基座和波纹膜片构成的密封腔体内充有液态导压介质硅油，传导由波纹膜片所感测的外部介质压力。MEMS压力传感芯片通过贴片胶粘贴于充油芯体基座上，芯片引脚利用引线键合工艺连接在插针上，从而实现外部电气连接。硅油传导至芯片上的压力，由芯片上高精度半导体压阻条构成的惠斯通电桥转换成电压信号。本充油MEMS压力传感器采用开环MEMS压力芯片，并在底部设置了一个温度补偿电路板，对MEMS芯片的原始信号进行模拟温度补偿。如图1中所示，为充油MEMS压力传感器完成实物图，温度补偿电路板的外层进一步包覆了橡胶，进一步提高可靠性，引针也由软导线引出，方便传感器OEM组装。开环MEMS压力芯片的正面基本结构示意如下图1右所示：感压膜上分布有四个P型压阻，由Al导线互联形成开环惠斯通电桥，并将信号由Pad引出。

2 传感器原理

MEMS压阻式压力传感器利用半导体压阻效应和硅薄膜良好的弹性，采用硅微机械加工制造工艺制成。硅薄膜表面有通过扩散工艺制成的半导体力敏电阻，Ra、Rb、Rc和Rd，如图2所示，硅薄膜受压形变时Ra和Rc阻值变大，Rb和Rd阻值变小，阻值变化与硅薄膜应力为线性相关，为了提高满量程输出电压、减少零点温度漂移、提高线性度等，4个力敏电阻作为桥臂电阻连接成惠斯通电桥形式，电桥输入端+In和-In之间为恒流供电I0，+Out和-Out之间为电桥输出V0，关系可表示为：

图1

当弹性膜片受到外界压力时，薄膜两侧将有压差形成，膜片会发生变形，使得膜片上的四个力敏电阻阻值发生变化，此时电桥就会失去平衡，将会有电压输出。

由于4个桥臂电阻的初始值相同R，变化值也相同，以上可简化为：

传感器高温下会产生零点和灵敏度温漂，为了保证测量精度，提高传感器的温度稳定性，如图2所示，在惠斯通电桥内加了平衡电阻R1、R2、R3、R4和R5进行两点温度补偿。R1、R2为零点温漂修正电阻，与Ra或Rb并联之后的等效温度系数变小，补偿零点温度系数，R3、R4为电桥平衡电阻，使传感器的零点输出为零，R5为灵敏度温度补偿电阻，并联在电桥一侧，对电桥供电电流进行分流，从而对灵敏度温漂进行补偿。

图2

3 实验结果及讨论

将设计的充油MEMS压力传感器进行功能验证（量程范围1MPa，表压），测试其在不同温度、压力下的精度及可靠性。（1）实验平台。根据压力传感器性能测试的需求，搭建了压力传感器的性能测试平台。平台主要有高低温箱、压力气路、钢瓶气源、压力控制器、高精度电流源以及高精度电压表。钢瓶气源的气体经过减压阀减压之后通过压力气路进入压力控制器，能够精确调压为需要的气体压力，并通过压力气路传导至压力传感器，高低温箱能够控制环境温度，高精度电流源提供+In、-In端输入电源，高精度电压表测量+Out、-Out端输出电压。（2）性能试验。随机抽取了两个传感器，在常温（25℃）、85℃两个不同的温度点下分别测试传感器在 0MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa等不同的压力点下的输出表现（压力先0～1MPa逐渐升高再1～0MPa逐渐降低）。取供电电流为1.5mA，传感器的输出（单位mV）如表1所示。

表1

根据表1中的测试结果，对传感器的线性度、零点温漂、满度温漂进行计算和评价，两个样品在25℃时线性度最好为0.17%，在85°时线性度最好为0.16%，零点温度稳定性最好为0.17%，满度温度稳定性最好为0.22%，具有较好的线性度和温度稳定性，完全能够满足工业应用的需求，如表2所示。

表2

4 结语

设计了一种基于硅-玻璃双层结构的MEMS压力传感器芯片的充油压力传感器，在25～85℃、0～1MPa范围内，该传感器输出具有良好的温度稳定性和线性度，能够满足OEM使用的要求。