作者簡介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調理電路設計、測試測量、信號采集與處理。

王剛（1986—），男，工程師，主要研究方向：光學薄膜加工及應用研究。

微壓傳感器是一種壓力傳感器，可測量微小壓力，廣泛應用于工業控制、石油管道、水利水電、航空航天等行業^[1-2]。傳統的微壓傳感器基于硅壓阻式測量原理，存在溫度特性差的缺點^[3]。本文基于濺射薄膜式測壓原理^[4]，選擇PGA900 信號調理器，充分發揮薄膜傳感器技術優勢，研制出薄膜微壓傳感器，并對傳感器的性能進行了考核驗證。

1   薄膜微壓測量原理及技術優勢

薄膜微壓傳感器采用應變式測壓原理，如圖1 所示，傳感器的敏感元件由基底、絕緣膜、合金膜、保護膜組成^[5]。基底可傳遞并感應外界壓力，將壓力量轉換為應變量。絕緣膜、合金膜和保護膜依次從下往上鍍制在基底材料上，絕緣膜為SiO₂材料，具有良好的絕緣特性，用于隔離基底和合金膜。合金膜為金屬材料，通過離子測控濺射技術鍍制成特定的應變絲柵圖形，如圖2 所示。應變絲柵由2 個主柵電阻和2 個輔柵電阻組成，形成1個惠斯通電橋。基底的應變傳遞至合金膜后，應變絲柵會產生變形，從而引起惠斯通電橋輸出發生改變。電橋的輸出電壓變化與外界壓力變化存在比例關系，通過測量電橋電壓便可實現對壓力的測量。保護膜位于合金膜上表面，材料為SiO₂，對合金膜起到保護作用。

圖1 敏感元件膜層示意圖

圖2 敏感芯體絲柵示意圖

傳統微壓傳感器基于硅壓阻原理，通過半導體制造技術在確定晶向制作相同的4 個感壓電阻，由電阻組成惠斯通電橋。當承受壓力時，電阻的電阻率發生變化，引起電阻值變化，電橋失去平衡產生電壓信號。電橋電路原理如圖2 所示，輸出信號滿足公式1 關系。由于半導體材料的溫度特性不穩定，當溫度變化時電橋電阻會發生變化，傳感器的輸出會發生較大漂移，所以硅壓阻微壓傳感器的溫度特性較差。

圖2 惠斯通電橋電路原理圖

與硅壓阻原理不同，薄膜微壓傳感器為應變式原理，外界壓力引起合金膜的應變絲柵發生應變，其中主柵電阻被拉伸產生正向應變，阻值增大；輔柵電阻被壓縮產生負向應變，阻值減小。電橋失去平衡，輸出差分電壓信號。薄膜微壓傳感器的應變絲柵電阻為金屬材料，電阻的電阻率穩定，不會隨溫度發生變化。絲柵是通過離子磁控濺射工藝將同種靶材材料原子濺射沉積而成的，鍍制結束后再經過激光調阻技術對絲柵電阻進行精密調整。鍍制的絲柵電阻材料均勻，不含雜質，溫度特性一致。如2 所示，在敏感芯體的非應變區域濺射鍍制溫度補償絲柵，可用來補償傳感器的溫度靈敏度漂移，所以薄膜微壓傳感器具有良好的溫度特性。

但是，由于薄膜微壓傳感器的應變絲柵為金屬材質，材料彈性模量較大，外界壓力引起的應變量很小，所以傳感器的輸出靈敏度較低。為提高傳感器輸出信號質量，需要采取措施提高輸出靈敏度。

2   薄膜微壓傳感器設計

2.1 敏感芯體結構設計

常規的濺射薄膜敏感芯體結構如圖3 所示，外形呈“禮帽”狀，上端面密封，下端面內部開有深槽^[6]。上端面用于感受外界壓力，外徑為12 mm。當壓力變化時上端面會產生相對應變，應變會引起鍍制的絲柵電阻變形，電橋輸出對應電壓信號。

圖3 常規薄膜芯體結構圖

由于微壓傳感器的量程很小，而敏感芯體為金屬材質，通常彈性模量較大。相同壓力條件下，芯體的應變量與芯體上端面厚度成反比。而芯體的輸出靈敏度則與芯體的應變量成正比。要提高芯體的輸出靈敏度就必須進一步減小上端面厚度，這給芯體加工帶來了很大的難度。

研究中對敏感芯體的結構進行了改進，如圖4 所示，改進后的敏感芯體為內腔帶硬質芯式結構，即芯體的感壓內腔帶有一塊硬質芯，整個芯體上表面為Φ18 mm，硬質芯直徑為Φ7 mm。當壓力作用于芯體內腔，由于硬質芯的存在，應變變形集中分布到內腔上表面硬質芯外圍區域。與常規結構相比，相同壓力產生的應變量增大，敏感芯體的輸出靈敏度顯著提高。

圖4 硬質芯薄膜芯體結構圖

2.2 密封組件結構設計

圖4 密封組件結構圖

微壓傳感器的量程小，通常要求具有絕壓測量能力。而傳統的濺射薄膜壓力傳感器由于敏感芯體暴露在外，只能測量表壓壓力而不能測量絕壓壓力。研究中設計了密封組件結構，用于密封敏感芯體上表面，為敏感芯體提供真空環境，從而實現絕對壓力的測量。

密封組件由密封殼體、金屬插針和堵蓋組成，金屬插針通過玻璃燒結工藝密封燒結在密封殼體上，在真空條件下將密封殼體焊接在壓力接口座上，并將堵蓋焊接在密封殼體頂部，可以為敏感芯體提供一個真空環境，實現對絕對壓力的測量。

轉接電路板位于密封結構內部，焊接固定在金屬插針上，并與薄膜芯體上表面保持水平，采用金絲焊接技術焊接薄膜芯體焊盤和轉接電路板焊盤，可將芯體信號引出至外部電路，實現信號轉接。

2.3 硬件電路設計

薄膜微壓傳感器使用PGA900 進行信號調理，該芯片是一款面向電阻式傳感器的信號調理器，具有數字和模擬輸出的可編程傳感器信號調理功能。PGA900 具有2 路模擬信號輸入，分別為1 路壓力信號和1 路溫度信號，可對2 路信號實現采集、放大和調理，采集精度每路為24 位，壓力信號的放大倍數最大為400 倍，溫度信號的放大倍數最大為20 倍。憑借片上ARM CortexM0 處理器實現溫度補償、線性化等校準算法。PGA900帶有1 路可編程增益放大器的14 位DAC 模擬輸出。具備SPI、I²C、通用異步收發器（UART）和2 個通用輸入輸出（GPIO）端口訪問數據和配置寄存器。同時還保留1 個單線接口OWI，支持通過電源引腳進行單線通信和配置，無需使用額外線路。片內內置溫度傳感器，采集溫度范圍為-40～150 ℃。PGA900 傳感器靈敏度可調節范圍為1～135 mV/V，內部有1 kB 數據的SRAM、128字節的EEPROM 和8 kB 的軟件存儲器。內部框圖如圖5 所示。

圖5 PGA900組成框圖

濺射薄膜敏感芯體的輸出靈敏度在PGA900 的信號調節范圍內，敏感芯體連接至VBRGP、VINPP、VINPN、VBRGN，使用片內溫度傳感器采集環境溫度。PGA900 可實現對敏感芯體的信號放大、輸出校準和溫度補償。PGA900 的最高工作溫度可達150 ℃，還可用于制作耐高溫型薄膜微壓傳感器。基于PGA900 的薄膜微壓傳感器信號調理電路如圖6 所示。

圖6 基于PGA900的信號調理電路原理圖

信號調理電路由穩壓芯片MIC5233-5 和信號調理器PGA900 組成，其中穩壓芯片將外部電壓穩定至5 V 為PGA900 供電，PGA900 對電壓進一步濾波處理后為薄膜芯體供電。薄膜芯體輸出的毫伏級信號進入PGA900，由PGA900 內部集成的可調增益儀表放大器對信號進行放大處理，放大后的信號由24 位AD 轉換器轉換為數字量。通過上位機軟件控制PGA900 內部的ARM 處理器對數字量進行非線性修正、端點標定和歸一化處理，經調理后的數字量由14 位DA 轉換器轉換為標準電壓信號輸出。

2.4 傳感器校準

使用上位機軟件通過串口可以操作PGA900 內部的ARM 處理器，可控制A/D 采集、校準參數計算、EEPROM 下載和D/A 輸出等過程。軟件可以利用校準算法對采集到的傳感器數據進行端點校正和線性化修正^[7]。校準后的參數可以存入片內EEPROM，防止數據丟失。校準完成后，PGA900 上電讀取參數，輸出正確電壓值。

3   試驗測試及數據分析

使用氣介質標定系統對校準成功的微壓傳感器進行性能測試。氣介質壓力計量程為0 ～ 0.7 MPa、精度0.02%，傳感器供電電壓為15±1 V。將已放置在規定試驗環境下至少1 h 的待測傳感器以規定的安裝力矩安裝在壓力源上，并通以額定的激勵電源，預熱15 min后開始測試。

從量程下限加載到量程上限的壓力，觀察裝置的氣密情況，檢查測試儀器和電源電壓，根據量程范圍，給傳感器施加3 次滿量程預壓。根據滿量程確定均勻分布的檢定級（不少于5級）。按檢定級逐點進行正、反3 個壓力循環。根據這3 個循環的測試數據， 按標準QJ28A計算出靜態特性指標。傳感器的輸出特性方程為 Y = a + bX（式中：X 為校準壓力值；Y 為對應于各校準壓力值的電壓輸出值；a 為特性方程的截距；b 為特性方程的斜率。）

在常溫（20 ℃）、高溫（60 ℃）、低溫（-40 ℃）3種狀態下分別對傳感器進行靜態性能標定，得出特性方程。分別計算3 種狀態下的遲滯、重復、非線性，取3 個溫度點最大測量精度作為該傳感器的全溫區綜合測量精度。經測試傳感器的最大綜合誤差小于0.2%FS（如表1）。

表1 薄膜微壓傳感器性能測試數據表

4   結束語

基于PGA900 的薄膜微壓傳感器充分發揮了濺射薄膜傳感器性能穩定、穩定特性好的優勢，利用PGA900內部集成的ARM 處理器對傳感器進行了輸出校準和非線性修正。經過校準后的傳感器性能指標達到了較高水平，同時設計的密封組件可以為薄膜芯體提供真空環境，實現絕對壓力的測量。

參考文獻：

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[2]邱峰,季霞.硅微超微壓傳感器設計[J].機械設計與制造,2007(10):93-95.

[3]章建文,徐留根,全建龍,等.硅壓阻壓力芯體恒壓激勵輸出特性與溫度補償研究[J].測控技術, 2017,36(5):104-107.

[4]蔣傳生.磁控濺射薄膜壓力傳感器的研制[D].南京:南京航空航天大學,2015.

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[6]王洪業,安志超.離子束濺射薄膜壓力傳感器[J].傳感技術學報,1993(2):48-51.

[7]陳偉龍.壓力傳感器的數據采集和現場校準系統設計[J].工藝與設備,2019(28):185-186.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年1月期）