金 忠，謝 鋒，何迎輝，雷 凱，龍 悅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十八研究所，長(zhǎng)沙410111）

濺射薄膜壓力傳感器主要由濺射薄膜壓力敏感芯片和信號(hào)調(diào)理電路組成。其芯片結(jié)構(gòu)如圖1 所示，對(duì)彈性不銹鋼材料進(jìn)行機(jī)械加工，在彈性膜片上制作4 個(gè)感受壓力的合金薄膜電阻。

測(cè)量原理為電阻應(yīng)變效應(yīng)，四臂全橋在壓力作用下產(chǎn)生阻值變化，在激勵(lì)源的作用下輸出電壓信號(hào)，如圖2 所示。

壓力敏感芯片膜層的制作工藝主要是薄膜淀積，如磁控濺射、離子束濺射和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積等。芯片上主要包括過(guò)渡膜、絕緣膜、功能膜和鈍化膜。該芯片具有穩(wěn)定性好，耐壓力沖擊的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油、航天領(lǐng)域[1]。通過(guò)對(duì)大量壓力敏感芯片的數(shù)據(jù)分析，常溫下芯片的準(zhǔn)確度可以達(dá)到FS 0.1%，該準(zhǔn)確度主要包括非線性、遲滯和重復(fù)性，不包含溫度漂移。很多場(chǎng)合下，傳感器的工作溫度不是常溫，其典型的熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移指標(biāo)為FS 0.02%/℃。在-75～125 ℃范圍內(nèi)，壓力測(cè)量誤差為FS 2%。在一些不能使用數(shù)字方式進(jìn)行補(bǔ)償特殊應(yīng)用場(chǎng)合，測(cè)量誤差要求控制在FS 1%，普通產(chǎn)品很難達(dá)到該要求。

圖1 壓力敏感芯片結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pressure sensitive chip

圖2 壓力測(cè)量四臂全橋Fig.2 Pressure measurement four arm full bridge

2 壓力敏感芯片的測(cè)量誤差來(lái)源分析

2.1 熱零點(diǎn)漂移的分析

恒定電壓激勵(lì)下，圖2 所示的電橋在未受到壓力時(shí)，其零點(diǎn)輸出U0T與溫度Δt 的關(guān)系為

其中

式中：U+T為電橋輸出正端電壓；U-T為電橋輸出負(fù)端電壓；Vi為電橋供電電壓；a1～a4為相應(yīng)橋臂的溫度系數(shù)。由式（1）可知，無(wú)論電橋初始狀態(tài)是否平衡，當(dāng)4 個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)完全相等時(shí)，傳感器的熱零點(diǎn)漂移為0。實(shí)際上a1～a4各不相同，從而產(chǎn)生熱零點(diǎn)漂移。熱零漂移主要由敏感芯片上金屬薄膜電阻靶材的純度和制作4 個(gè)橋臂電阻的工藝一致性決定。

2.2 熱靈敏度漂移分析

傳感器的滿量程輸出會(huì)隨溫度的變化而變化，而后端采集電路一般以常溫的滿量程輸出值作為標(biāo)度變換的參數(shù)，從而導(dǎo)致最終的壓力顯示存在較大誤差。壓力敏感芯片受到的均布?jí)毫r(shí)，膜片產(chǎn)生形變，徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變分別為

式中：εr為徑向應(yīng)變；εt為切向應(yīng)變；p 為膜片受到的壓力；μ 為彈性材料泊松系數(shù)；E 為彈性模量；h為膜片厚度；R 為膜片半徑；r 為膜片上任意一點(diǎn)的半徑[2]。

圖1 所示的功能膜為合金薄膜電阻，通過(guò)濺射的方式制作在彈性膜片上，結(jié)合力大，可以認(rèn)為膜片的應(yīng)變等于合金膜電阻的應(yīng)變。根據(jù)金屬膜電阻的應(yīng)變效應(yīng)，有

式中：Ris電阻形變前的電阻；ΔR 為形變引起的電阻變化量；ε 為電阻的應(yīng)變；C 為金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)，對(duì)于常用的金屬和合金來(lái)說(shuō)，取C 值為-12（Ni）～6（Pt）。

4 個(gè)柵條電橋在恒定電壓Vi激勵(lì)下，以徑向應(yīng)變?yōu)槔敵鲭妷簽?/p>

由此可知，激勵(lì)電壓Vi，膜片材料尺寸（h，R，r）和壓力p 不隨溫度變化，其他參數(shù)均隨溫度變化。17-4PH 不銹鋼是常用的彈性材料，泊松比為0.272，200 ℃范圍內(nèi)溫度系數(shù)約為100×10-6/℃，其彈性模量為1.91×105MPa，彈性模量溫度系數(shù)為-240×10-6/℃。根據(jù)式（5），可計(jì)算出靈敏度的溫度系數(shù)約為0.0229%/℃，與實(shí)測(cè)值接近。從分析可知，熱靈敏度漂移主要由彈性材料的泊松系數(shù)和彈性模量溫度系數(shù)引起。

3 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

3.1 熱零點(diǎn)漂移補(bǔ)償

熱零點(diǎn)漂移補(bǔ)償主要通過(guò)串并聯(lián)電阻改變橋臂電阻溫度系數(shù)的原理進(jìn)行，目前大多針對(duì)壓阻式壓力傳感器，補(bǔ)償采用的電阻為近零溫度系數(shù)金屬膜電阻。NiCr 是常用制備應(yīng)變電阻的材料，具有較高的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)以及較高的靈敏度等特點(diǎn)，對(duì)溫度依賴小[3]。電阻溫度系數(shù)為50×10-6～100×10-6，制作的應(yīng)變?nèi)珮驘崃泓c(diǎn)漂移也小，約為FS（0.02%～0.03%）/℃，只有高精度需求下才進(jìn)行補(bǔ)償，且近零溫度系數(shù)金屬膜電阻已不再適用。為減少傳感器的引線數(shù)量和體積，有些電橋?yàn)? 點(diǎn)封閉橋，電橋的初始不平衡在后續(xù)調(diào)理電路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，電橋無(wú)法串入電阻進(jìn)行熱零點(diǎn)偏移補(bǔ)償，只能進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償。圖2 所示的封閉電橋在常溫零點(diǎn)輸出U0為

其中

補(bǔ)償前零點(diǎn)溫度漂移量為

若ΔU0T＞0，則在R4或R2橋臂上并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為ap的電阻Rp；若ΔU0T＜0，則在R3或R2橋臂上并聯(lián)。以恒壓供電，在R3處并聯(lián)Rp為例求解Rp和ap值。并聯(lián)Rp后，不影響U+和U+T的大小，補(bǔ)償后零點(diǎn)溫度漂移量為

其中

式中：R2T，R3T，RpT分別為R2，R3，Rp在經(jīng)歷Δt 之后的電阻；U′-T為補(bǔ)償后電橋輸出負(fù)端電壓；U′-補(bǔ)償前電橋輸出負(fù)端電壓。橋臂實(shí)際補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償前后零點(diǎn)輸出的允許變化量決定了Rp的值，由此計(jì)算出Rp的值。即

其中

令ΔU′0T＝0，將Rp值代入式（8），得到

然后，根據(jù)串并聯(lián)電阻的方法配出電阻網(wǎng)絡(luò)，滿足Rp和ap的要求。最后得到并聯(lián)于R3的電阻網(wǎng)絡(luò)。

3.2 熱靈敏度漂移補(bǔ)償

熱靈敏度漂移由制作壓力敏感芯片彈性材料的本身物理特性決定，往往通過(guò)調(diào)節(jié)其成份配比、改變冶煉工藝和熱處理工藝進(jìn)行改善，但提高的空間非常有限。由式（5）可知，如果恒壓激勵(lì)電源有一個(gè)負(fù)的溫度系數(shù)，則熱靈敏度漂移會(huì)得到削弱，起到補(bǔ)償?shù)淖饔?。用溫度敏感電阻感受壓力敏感芯片?yīng)變電阻的溫度，該溫度作為調(diào)理電路的輸入信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓的大小，可以得到一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的激勵(lì)電壓。

信號(hào)調(diào)理電路主要由壓力敏感芯片電橋供電電路和信號(hào)放大電路組成。為減小電路本身的溫漂，電阻器件和放大器應(yīng)選用溫度系數(shù)小的型號(hào)。供電電路提供電壓激勵(lì)源，包括分壓電路、放大器；放大電路為儀表放大器。信號(hào)放大調(diào)整后的輸出為1～5 V。R1～R4為傳感器芯片上應(yīng)變電阻。調(diào)理電路原理如圖3 所示，壓力敏感芯片的熱靈敏度漂移為FS 0.025/℃，通過(guò)在R1上并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償熱零點(diǎn)漂移，在R7上串聯(lián)R6來(lái)補(bǔ)償熱靈敏度漂移。

圖3 調(diào)理電路原理Fig.3 Schematic of conditioning circuit

D1為2.5 V 低溫漂基準(zhǔn)電壓管REF3425，溫度系數(shù)為6×10-6/℃；R7和R8選用片式金屬薄膜電阻器，溫度系數(shù)控制在10×10-6/℃。補(bǔ)償后，常溫滿量程輸出和高低溫下滿量程應(yīng)該是相等的關(guān)系，推導(dǎo)出供電電壓Vi溫度系數(shù)γ 與傳感器熱靈敏度漂移β 之間的關(guān)系為

式中β 為已知量。電橋激勵(lì)電壓Vi為

D1和R8的溫度系數(shù)和β 相比很小，計(jì)算中近似為0。由式（12）～式（14）可得

其中

圖3 所示的R6為壓力敏感芯片上的溫度敏感電阻，溫度系數(shù)a6典型值為3851×10-6，由串聯(lián)電阻溫度系數(shù)公式，即

求解出R6和R7的值。

4 壓力敏感芯片的制作

芯片設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是在壓力敏感芯片的非應(yīng)變區(qū)域設(shè)計(jì)溫度敏感柵條電阻，其材料為Pt，用于感受敏感芯片所處的溫度，其溫度系數(shù)為3851×10-6±200×10-6，由于在非應(yīng)變區(qū)所以不受壓力的干擾。

Pt 薄膜的制備工藝與合金柵條電阻制備工藝相同。采用17-4PH 不銹鋼作為彈性體材料，經(jīng)粗磨、細(xì)磨后，用拋光液進(jìn)行拋光，直至彈性體表面缺陷的直徑小于0.1 μm。使用去離子水、丙酮和酒精進(jìn)行超聲清洗，對(duì)預(yù)處理好的彈性體襯底材料依次用離子束沉積和光刻工藝制備過(guò)渡層、絕緣層、NiCr合金（6J22）電阻層、Pt 電阻層以及表面鈍化層。采用激光調(diào)阻進(jìn)行阻值修正。離子束沉積工藝采用中電科48 所研制的LD-2 鍍膜機(jī)，襯底溫度100～200 ℃，工作氣氛為高純Ar 氣，流量6～8 mL/min，氣壓控制在0.018～0.031 Pa。

敏感芯片設(shè)計(jì)的實(shí)物如圖4 所示，其Pt 柵條寬度200 μm，厚度100 nm；NiCr 柵條寬度25 μm，厚度250 nm；方阻分別為1.06 Ω 和5.32 Ω；R5阻值為22 kΩ，R6阻值為205 Ω。

圖4 壓力敏感芯片F(xiàn)ig.4 Pressure sensitive chip

5 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)制作完成的壓力芯片進(jìn)行焊接、引線、封裝、調(diào)試。先對(duì)壓力敏感芯片本身的溫漂進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)包括補(bǔ)償前常溫、低溫、高溫下的零點(diǎn)輸出，U+端對(duì)Vi-常溫、低溫、高溫下的電壓，以及各橋臂電阻的阻值和溫度系數(shù)。使用上述測(cè)試結(jié)果計(jì)算熱零點(diǎn)漂移補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電阻值。熱靈敏度漂移不用對(duì)壓力敏感芯片進(jìn)行前期測(cè)試，直接使用計(jì)算出的R6值為205 Ω。最后，在儀表運(yùn)放電路上進(jìn)行零點(diǎn)和滿度的調(diào)節(jié)，使輸出滿足1～5 V 要求。壓力敏感芯片各壓力點(diǎn)的測(cè)量誤差如圖5 所示，調(diào)試完成的傳感器各壓力點(diǎn)的測(cè)量誤差如圖6 所示。由圖可見(jiàn)測(cè)量精度至少提高了1 倍。

圖5 壓力敏感芯片的精度Fig.5 Precision of pressure sensitive chip

圖6 傳感器的精度Fig.6 Sensor precision

6 結(jié)語(yǔ)

濺射薄膜壓力芯片的熱零點(diǎn)漂移由橋臂電阻的溫度系數(shù)差異引入，熱靈敏度漂移由彈性材料本身特性引入。通過(guò)在橋臂并聯(lián)電阻調(diào)節(jié)橋臂溫度系數(shù)減小熱零點(diǎn)漂移，在壓力芯片上設(shè)計(jì)Pt 電阻調(diào)節(jié)調(diào)理電路激勵(lì)電壓溫度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)

減小誤差的目的。測(cè)試結(jié)果表明，該方法可以明顯提高濺射薄膜壓力傳感器的測(cè)量精度。