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泽天ZPM410压差(差压)传感器研制方案报告

发布时间:2019-1-6??????发布人:泽天传感??????点击:

1  ZPM410压差传感器主要技术指标

1)测量范围: 0~50KPa;

2)基本参数 (1) 激励电压:±10V.DC;(2) 零点输出:≤0.2 mV;(3) 量程输出:≥12mV;(4) 绝缘电阻:≥100MΩ/100V.DC。

3)静态性能 (1) 准确度:0.2级;(2) 非线性:0.2%F.S。

4)环境性能指标要求  (1) 工作温度:-40℃~100℃;(2) 储存温度:-40℃~100℃;(3) 零点漂移:0.05%F.S/h;(4) 热零点漂移:0.02%F.S/℃;(5) 热灵敏度漂移:0.02%F.S/℃。

2 设计与方案

2.1产品原理设计

ZPM410压差传感器量程小,为50KPa差压,产品零点输出≤0.2mV,产品满量程输出≥12mV,在-40℃~100℃范围内,测量精度0.2级,热零点漂移和热灵敏度漂移均小于0.02%FS/℃,这对该产品的综合性能提出了很高的要求。针对该产品的使用要求和技术要求,提出用硅压阻式传感器来实现小量程的差压测量。硅传感器的灵敏度系数大,完全能满足该产品的灵敏度要求,但硅压阻式的温度性能较差,在产品的设计过程中,重点设计零点补偿与高精度的温度补偿。

通过硅平面集成工艺技术在硅片上制作四个扩散电阻作为应力敏感元件,用机械研磨加各向同性化学腐蚀方法将硅衬底加工成周边固支的平膜片弹性力学结构。四个力敏电阻,连成惠斯顿全桥应变电路,这种电路具有最高的灵敏度、最好的温度补偿性能和最高的输出线性度。硅杯受到一个差值压力,力敏电阻的电阻率改变,引起电阻阻值改变。电阻率的改变是由于硅膜片的形变引起的,测试端P1与引压端P2的压力差与硅膜片的形变成正比,也就是电桥的输出与压力差成正比。

2.2压敏芯片的设计

为使用传感器的线性度满足0.02%的要求,限制硅膜片上最大应变(50KPa压强时)不超过200με的微应变。在本项目中,考虑到传感器要求正、反向≥150KPa的过载,设计平膜片时,将量程设计为100KPa,通过降量程使用进行50KPa的压力测量,从而确保传感器在高过载下正常工作。通过对光刻版图的合理设计,将4个压敏电阻进行合理布局,利用平膜片中心和边缘最大的正负应力构成电桥,从而获得高的灵敏度。

2.3传感器的结构设计

因为产品是微量程差压测试,为方便安装,测试压力端与外引线在轴线方向,将参考压力端设计与测试压力端垂直。引压端口安装尺寸根据用户要求进行设计。在传感器的结构设计上为减轻重量,采用铝材。为保护产品满足高强度的振动要求,在产品上将敏感元件进行集成封装,然后再在整体结构上进行抗振处理。如通过螺纹胶对所有连接部位进行紧固。

2.4传感器的补偿设计

理论上,电阻布局设计、制造工艺都力求保证四个桥臂电阻的阻值匹配、阻值的温度系数匹配,但由于制造工艺中光刻、制版、扩散等工艺的偏差,实际上,同一工艺制作下的四个桥臂电阻阻值和温度系数不可能完全一致,从而使传感器有一个初始的零点输出和一定的温度误差,这个误差超过要求值,就必须对其进行补偿。本项目产品中,传感器要求的初始零点≤0.2mV,而且在-40℃~100℃的温度范围内热零点与热量程漂移均≤0.02%FS/℃。对硅压阻式传感器,必须通过高精度的补偿,才能达到这个要求。

1)零点补偿

无论是恒压源还是恒流源供电,传感器桥路平衡的条件都是对臂电阻的乘积相等。传感器的零点补偿就是保证对臂电阻的乘积相等。采用在桥路中串接一个精密电阻,可以精确补偿传感器的零点。

2)零点温漂补偿

无论是恒压源还是恒流源供电,要减小传感器热零点漂移,就必须使对臂电阻的乘积相等的前提下,对臂电阻的电阻温度系数之和相等,或者对臂电阻之乘积与其电阻温度系数之和的乘积与另一对臂的相等。通过在桥臂电阻上并联一个阻值很大但温度系数不一样的薄膜电阻来改变桥臂电阻的温度系数,从而达到温度系数的匹配,实现对传感器的零点温漂进行补偿。通过测试传感器的初始零点及其在温度上限、下限时的输出,求算出温漂与零点的补偿位置与补偿大小,对传感器的零点与零点温漂进行补偿。

2. 5工艺设计

ZPM410差压传感器的工艺重点在敏感芯片的封装工艺,设计了全密封封装结构对敏感芯片进行保护。ZPM410型压差传感器芯片进行独立封装,结构如图1所示。

图1  传感器芯片封装结构示意图

压阻式js金沙所有网址的封装设计的重点在于保证密封、应力小、抗振等。封装结构与工艺设计上采用以下几点:

1)因为测试量程小,采用粘接技术,将硅杯通过环氧胶与外壳固粘,硅杯的正压端通过一个Φ2的小孔与测试压力相连。

2)硅杯的负压端嵌入金属保护层,只通过一个Φ2mm小孔与参考端压力相通。

3)采用漆包线压焊技术,将内引线通过引线柱外引出。

4)引线柱与外壳烧结成一体,抗振动性强。

5)硅杯电阻端与外壳、引线柱、金属保护层之间通过灌充硅胶,形成一体结构,同时,对电阻起保护作用,保证测量精度。

2.6方案确定

课题组前述的方案设计,泽天传感有关专家对方案进行了评审。评审形成了以下几点主要意见:

1)用扩散硅压阻式传感器进行微量程差压产品设计,通过高精度的零点补偿、零点温漂补偿、量程温漂补偿的总体方案可行。

2)敏感芯片的制作工艺是重点,要进行重点设计与质量把关,对所用的材料性能要进行前提试验。

3)对于硅压阻式微差压传感器,温漂的补偿要有备选方案。通过多种补偿手段相结合来保证温漂满足设计要求。

4)在补偿方案上,由于外串零点补偿电阻的温度系数远小于扩散桥臂电阻的温度系数,将给桥路引入较大的温度系数,考虑在膜片的非应变区设计一些电阻网络,串入桥臂电阻中,通过对补偿电阻的选取,来补偿桥路的零点。因为补偿电阻与桥臂电阻具有相同的温度系数,进行零点补偿时,不影响温度漂移。

5)然后通过对各种硅凝胶进行比对,尽量选用进口双组分硅凝胶对硅杯进行封装,保证在环境温度改变很大时,内应力很小,不影响引线丝与硅杯性能。

2.7方案的先进性和正确性、实施的可行性

采用硅压阻式传感器,实现微量程的差压测量,保证输出灵敏度达设计要求。再通过先进的串接电阻网络对传感器进行零点和零点温漂补偿。采用外串热敏电阻对灵敏度温漂进行有效补偿。芯片的全密封结构提高抗振性能与可靠性能。该方案正确有效,具有可实行性。泽天传感有先进的传感器生产、科研设备,有多年的传感器设计研究基础,在此基础上研究微量程压差传感器,基本无技术风险,产品研究涉及的材料可通过协作研究或定制获得,无其他不可预见的原材料和关键技术风险。

3  研制过程

用户在研制过程中,要求压差传感器结构小,传感信号输出配放大电路放大到0.5V~5V的标准输出信号。制备能在-40℃~100℃下准确测量50KPa压力的敏感芯片,进行独立封装,并从传感器结构上实现小量程、高过载(正反向150KPa)的压差传感器。针对硅敏感芯片的制作与封装,进行选材试验、封装材料与引线柱的烧结试验等,确定最终的设计方案,按照设计方案成功制造出功能齐全的产品,再针对技术指标要求的差距和主要工艺实施问题,分析原因,改进设计。研制分两方面。一方面从结构、工艺、材料等方面进行设计,获得0.2级精度的微差压敏感芯片。另一方面进行电路设计,将传感器输出信号放大到标准的0.5V~5V信号。经测试,产品的常温性能在-40℃~100℃满足技术协议要求的0.2级精度,产品的温漂也符合技术协议要求。

4  关键工艺技术

4.1同材质薄膜补偿电阻的设计

由于制造工艺中光刻、制版、扩散等工艺的偏差,实际上,同一工艺制作下的四个桥臂电阻阻值和温度系数不可能完全一致,使传感器有一个初始的零点输出和一定的温度误差。由于扩散电阻对温度很敏感,温度系数大,随着温度越高或越低,非线性也越严重,所以,一般产品很难保证在-25℃以下或85℃以上的温度下有高的测量精度和小的零点温漂或量程温漂。

桥路的初始不平衡可以通过串接或并接外电阻进行补偿。由于串接的电阻为精度合金电阻,温度系数基本为正的,而半导体扩散电阻的温度系数为负的,所以,对桥路进行零点补偿会更加增大传感器的零点温漂。对传感器进行温漂补偿时,不能采用一般的正温度系数的精密合金电阻,只能采用负温度系数的半导体热敏电阻,而这种电阻在宽的环境温度下,温度系数的非线性也很大,对扩散硅传感器进行高精度温漂补偿很难,非线性也较差。

针对这种情况,在本项目中,从敏感芯片的工艺与版图设计上就考虑了传感器的零点补偿与温漂补偿。在传感器的非应变区设计一系列与桥臂电阻同材质、同工艺的补偿电阻网络,通过补偿电阻阻值的选取,串接入桥路中,对传感器进行零点补偿。通过四个电阻所带补偿电阻的组合,内阻或者外阻可以补偿的电阻范围,是桥臂电阻的1.3‰~44‰,这个范围能满足90%的传感器的零点补偿,而且补偿的精度达0.7‰。经试验统计,对传感器用10V恒压供电时,桥路的零点输出基本能控制在±2000μV范围内。

4.2激光修正工艺的设计

通过薄膜补偿电阻网络的组合,可以将传感器的零点控制在±2000μV范围内,但传感器的零点输出要求满足±500μV要求。而且传感器经过高低温、加载疲劳、长期的零点时漂后,还要保证输出在±500μV内,这需要在传感器的装配、调试过程中反复补偿。仅通过电阻组合或外并电阻补偿,工艺调试量大,也很难准确到位。在本项目中,加入了先进的激光调阻工艺,对电阻条的阻值进行修正。激光调阻示意图如图2。

图2 激光调阻示意图

聚焦的激光束修正电阻条的线宽,电阻通过激光可以对电阻栅条的宽度进行微量调整,从而电阻的阻值进行微量调整,修正值偏差±0.1Ω,使电桥阻值满足R1·R3 =R2·R4的关系(R1、R3为内阻, R2、R4为外阻)。通过激光能量大小、步进速度、束斑大小等参数的调整,可以调节传感器的零点在±100μV。经过过程老化及后期装配,保证传感器的最终零点满足协议要求。

5 结语

通过先进工艺制作的高精度、小量程硅压阻敏感芯片来进行微压差50KPa的测量;通过制作同材质电阻网络进行零点初步补偿,激光调阻工艺进行零点精确修正,保证产品的输出零点为0±0.2mV。通过制作不同温度系数的电阻网络进行零点温漂、灵敏度温漂补偿,保证传感器的温漂≤0.02%FS/℃。通过全封装敏感芯片设计和合理的结构设计,保证传感器有高的抗振性能。ZPM410型压差传感器具有灵敏度高,零点误差与温漂误差小,使用温度范围宽,测量准确等特点,其主要技术指标达到国内先进水平。由于压阻式传感器的温漂补偿难,进一步拓宽传感器的使用温度范围,提高测试精度是今后的工作重点。同时,针对用户要求,保证产品质量与抗高强振动前提下,尽量减小产品的质量。本文源自泽天传感,版权所有,转载请注明出处。

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