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泽天传感高精度薄膜绝压传感器研制方案

发布时间:2019-9-16      发布人:泽天传感      点击:

一、研制目标

在溅射薄膜工艺的基础上,完成高精度绝压传感器的研制,以打破国外高精度绝压传感器的技术封锁,填补国内高精度绝压传感器的空白。采用薄膜工艺制造的高精度绝压传感器和普通的绝压传感器相比具有分辨率高、线性度高、迟滞和重复性小的特点。项目产品研制达到的性能指标如下:测量范围:0~2.5Mpa;准确度:0.01%;分辨率:1×10-6;零点温漂:±0.01%FS/℃;灵敏度温漂:±0.02%FS/℃;静态过载:120%FS;供电电压:12VDC;输入阻抗:≥3kΩ;绝缘电阻:500MΩ;绝缘强度:100V.dc;稳定性:零点及量程漂移≤0.1%/100h;工作温度范围:-50℃~+85℃;贮存温度范围:-50℃~+85℃ 。

二、国内外同类产品比较

目前,压力传感器主要基于电容式、压阻式、应变式(金属应变和半导体应变)和压电式原理。电容式压力传感器由于体积笨重和精度低的缺点,很少在军事领域中使用。比较常见的是压阻式、应变式和压电式。对于高精度绝压传感器数压电式占的市场份额最大,电阻式次之。

压电式压力传感器是采用石英晶体作为谐振元件,谐振的频率随应压力的变化而变化,由此来获得高分辨率、高精度的性能。压电式压力传感器受温度影响大,大多数压电材料具有热释电效应,温度变化会导致压电晶体受力状态发生变化,产生所谓的“热输出”。影响压电式压力传感器产生输出漂移的主要原因是瞬变温度,瞬变温度对晶体的影响要比缓变温度大得多。压电式压力传感对振动敏感。另外容易受到声场、磁场、电场的影响。其应用场合常受到周围环境的限制。

金属薄膜压力传感器在结构上通过在弹性材料上镀上金属电阻膜,当弹性材料受到压力发生形变时,电阻膜也跟随着发生形变,最终使电阻阻值发生变化。离子束溅射薄膜压力传感器,应用先进的离子束溅射和离子束刻蚀工艺,将应变电桥直接制作在金属测压膜片上。由于不用传统的胶粘工艺,显著改善了应变式传感器的长期稳定性,无蠕变,使产品工作温度范围大为扩展,在-100℃~+250℃范围内的温度漂移小于50PPM/℃。薄膜传感器的弹性敏感材料可选择具有耐腐蚀性能的不锈钢、石英、蓝宝石、陶瓷等,可直接与腐蚀性介质接触,不需要灌油隔离。由于没有活动部件,抗振动和抗冲的能力很强,可用于恶劣环境。其优良的技术性能和耐恶劣环境能力引起了世界各国的重视,在国内外军事装备中得到广泛应用。

三、本项目研究的高精度绝压传感器的先进性可以总结为一下几点:

1)薄膜技术代替粘贴式传感器中的电阻粘贴技术,消除胶的影响,使传感器工作温度范围宽,无蠕变和老化现象。

2) 由于采用离子束溅射工艺,弹性体和应变电阻材料结合为一体,传感器整体无可动部件,提高传感器的温度特性和抗振动、抗冲击的能力。

3) 设计产品体积小、功耗低、响应速度快。

4)在数字域对灵敏度进行修正、温度漂移补偿、非线性校正等算法提高传感器的精度。

目前国内尚没有精度达到0.01%的绝压传感器,而国外生产的精度能够做到0.01%的压力传感器绝大多数基于石英晶体的压电效应,个别厂家基于扩散硅材料的压阻效应。湖南泽天传感科技有限公司的一种高精度压力传感器如图所示。其最高精度可达0.05%。

ZPM790高精度数显压力变送器

日本东京的Epson Toyocom公司是专门从事石英晶体开发和应用的公司,由日本精工株式会社爱普生科技公司的石英晶体业务司和Toyo通信设备公司组合而成。该公司主要生产石英谐振器、定时元件、滤波器、石英传感器、光学设备等产品,其生产的TSU系列高精度石英压力传感器测量范围从0-100kPa到0-1MPa。该公司生产的TSU系列高精度石英晶体绝压传感器。该系列传感器的线性度最大只能达到0.05%,工作温度范围仅限于-10℃~+70℃。

美国Paroscientific(派若斯)公司成立于1972年,主要致力于高精度压力传感器的研究、生产、销售,通过使用专门的石英晶体作为谐振元件来敏感外部的压力变化。该公司生产的具有代表性的石英晶体绝压传感器有2000系列,3000系列,4000系列及4000KR系列,其他性能指标如下:量程:0~0.1MPa、0~3.45MPa之间任选;重复性:0.005%;迟滞:0.005%;频率输出范围:30KHz到42KHz;供电电压:+5VDC~16VDC;工作温度:-54℃~+107℃。

四、高精度压力产品的应用背景及应用范围

高精度绝压传感器可广泛应用于发动机推进控制系统、风洞仪器及压力校准系统、气象学研究、能源开发等。如可以用在地球同步卫星上的高精度推进测量系统完成卫星轨道精确定位,测量各种燃油的压力、推进舱的压力;用在导弹上测量进气口外部、内部以及排气口内部、中间和外部的压力;载人飞船舱内气压的测量、飞机飞行高度测量、大气参数测量、飞机机舱内外的压差测量。

五、研制方案及技术途径

1)设计原理

流体压力P1作用在高弹性膜片上,使膜片产生形变 ,采用离子束溅射和刻蚀技术在膜片上制作了组成电桥的薄膜电阻,通过恒定电流源对电桥供电,当膜片形变使电阻阻值发生变化时,电桥输出与压力成比例的电压信号。通过电路对电桥输出的信号进行放大、处理、误差数字化修正,再变换成与压力成比例的频率信号。

2)高精度设计保障

薄膜压力传感器的精度主要受到非线性误、迟滞和重复性的影响,通过选用合适的材料,传感器的重复性和迟滞可以得到很好的解决。但对于非线性误差需通过以下几个环节加以解决:

(1)选取合适的弹性材料。

(2)在弹性体的设计上,通过设计合适的膜片厚度和半径,保证弹性体的应力对形变的非线性误差控制在0.085%以内。

(3) 采用电子电路对非线性进行调整。通过采样到的传感器原始数据获得一个微调电压信号,去调整电桥的激励源来改善传感器输出电压的非线性。

(4)通过上述措施,传感器的精度有显著的改善,但要想达到0.01%的高精度要求,还必须在数字域对输出信号进行补偿。在数字域主要对传感器进行非线性、零点漂移、温度漂移、灵敏度进行修正。

3)非线性补偿

通过选择合适的弹性材料以及设计高灵敏度、低非线性误差的弹性元件结构体后,必须通过一定的措施对传感器电桥进行非线性补偿,以进一步提高线性度,我们将通过集成在电路主芯片内的模拟电路对非线性误差进行补偿,除此之外还将在数字域对非线性作进一步校正。通过检测传感器的输出电压,并和理想的线性电压相比较,计算出一个8bit的数据,然后将这个数据进行D/A转换,输出给运算放大器。运算放大器和MOS管构成一个压控电流源,不同的D/A转换器输入数据将得到不同传感器激励电流源,可校正不同的非线性误差。试验已证明,电路可将传感器0.09%的非线性误差补偿到0.05%以下。对于补偿后仍不能达到要求的传感器,再通过数字电路修正,将非线性控制在允许范围。

4)数字校正

在敏感元件封装,稳定性处理后,必须对传感器在数字域对零点偏移、非线性、灵敏度、温度进行补偿才能达到0.01%的高精度要求。如图是数字校正原理图,压力信号和温度信号经过放大,偏移调整,通过多路转换开关输入到A/D转换端口,转换后的数字信号被CPU通过校正算法校正,CPU将校正后的16位数字信号送到D/A转换器,最终以电流或电压的形式输出,或直接以频率信号输出。

零点和满量程温漂采用查表补偿法,补偿原理如下,在一个恒定的温度点,通过计算机或手操器的按键将对应温度点的零点误差相对值和满量程温漂绝对值,记录到单片机的FLASH中,当单片机正常工作时,根据采样的温度值,查表得该温度点的零点误差和放大倍数,按照下列公式计算传感器未经线性补偿的输出值。

D3=(D1+D2)*S

式中:D3——传感器未经线性补偿的输出值;D1——单片机经A/D转换得到的实际值;D2——查表得到的零点误差值,有正负号;S ——查表得到的绝对放大系数。

当传感器的零点需要改变时,通过计算机或手操器将FLASH中的零点误差值统一加某一需要的定值,即保持传感器的零点温补特性不变,实现零点平移。线性补偿,传感器的线性补偿采用查表分段线性化处理,即用得到的传感器未经线性补偿的输出值D3,加上该压力点通过计算得到的线性偏移量,最后得到经温度、线性补偿的实际压力值。

例如5MPa传感器五点线性补偿的具体方法为:将压力点分为五个等分点,然后逐点加压,在1MPa点将D3记录到FLASH的内存对应区,通过手动调节将压力变送器调到理想输出值,计算出D3与理想输出的差值,依次记录2MPa、3MPa、4MPa、5MPa的对应值。通过下列计算公式计算出线性补偿后的值D4。

D4=D3+△L

式中:D4——线性补偿后的值;D3——温度补偿后的值;L——线性差值,通过D3查表及分段线性化得到。本文源自泽天传感,版权所有,转载请保留出处。