充油MEMS壓力傳感器研制

盛文軍，陳叢，錢江蓉，胡國俊

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

壓力傳感器廣泛應用于航空航天、軍工、鐵路交通、管道等各種工業自控環境。隨著工業自動化水平的不斷提高，高精度、高可靠性壓力傳感器的需求也越來越大。目前應用較為廣泛的壓力傳感器為陶瓷壓力傳感器，這種傳感器精度較差，無法滿足高端領域的傳感器應用需求。充油MEMS壓力傳感器，是一種基于MEMS技術的壓阻式壓力傳感器。MEMS壓力傳感器芯片整個密封在硅油當中，外部壓力介質直接接觸波紋膜片。基于這種原理，本文開發了一種MEMS充油壓力傳感器，能夠實現較高的壓力測量精度，具有良好的可靠性，可以兼容液體、氣體等各種工作介質。

1 傳感器結構

充油MEMS壓力傳感器基本結構如圖1左所示，壓環和基座的材料為316不銹鋼，不銹鋼波紋膜片直接感受外部工作介質的壓力，三者通過激光焊接在一起。基座和波紋膜片構成的密封腔體內充有液態導壓介質硅油，傳導由波紋膜片所感測的外部介質壓力。MEMS壓力傳感芯片通過貼片膠粘貼于充油芯體基座上，芯片引腳利用引線鍵合工藝連接在插針上，從而實現外部電氣連接。硅油傳導至芯片上的壓力，由芯片上高精度半導體壓阻條構成的惠斯通電橋轉換成電壓信號。本充油MEMS壓力傳感器采用開環MEMS壓力芯片，并在底部設置了一個溫度補償電路板，對MEMS芯片的原始信號進行模擬溫度補償。如圖1中所示，為充油MEMS壓力傳感器完成實物圖，溫度補償電路板的外層進一步包覆了橡膠，進一步提高可靠性，引針也由軟導線引出，方便傳感器OEM組裝。開環MEMS壓力芯片的正面基本結構示意如下圖1右所示：感壓膜上分布有四個P型壓阻，由Al導線互聯形成開環惠斯通電橋，并將信號由Pad引出。

2 傳感器原理

MEMS壓阻式壓力傳感器利用半導體壓阻效應和硅薄膜良好的彈性，采用硅微機械加工制造工藝制成。硅薄膜表面有通過擴散工藝制成的半導體力敏電阻，Ra、Rb、Rc和Rd，如圖2所示，硅薄膜受壓形變時Ra和Rc阻值變大，Rb和Rd阻值變小，阻值變化與硅薄膜應力為線性相關，為了提高滿量程輸出電壓、減少零點溫度漂移、提高線性度等，4個力敏電阻作為橋臂電阻連接成惠斯通電橋形式，電橋輸入端+In和-In之間為恒流供電I0，+Out和-Out之間為電橋輸出V0，關系可表示為：

圖1

當彈性膜片受到外界壓力時，薄膜兩側將有壓差形成，膜片會發生變形，使得膜片上的四個力敏電阻阻值發生變化，此時電橋就會失去平衡，將會有電壓輸出。

由于4個橋臂電阻的初始值相同R，變化值也相同，以上可簡化為：

傳感器高溫下會產生零點和靈敏度溫漂，為了保證測量精度，提高傳感器的溫度穩定性，如圖2所示，在惠斯通電橋內加了平衡電阻R1、R2、R3、R4和R5進行兩點溫度補償。R1、R2為零點溫漂修正電阻，與Ra或Rb并聯之后的等效溫度系數變小，補償零點溫度系數，R3、R4為電橋平衡電阻，使傳感器的零點輸出為零，R5為靈敏度溫度補償電阻，并聯在電橋一側，對電橋供電電流進行分流，從而對靈敏度溫漂進行補償。

圖2

3 實驗結果及討論

將設計的充油MEMS壓力傳感器進行功能驗證（量程范圍1MPa，表壓），測試其在不同溫度、壓力下的精度及可靠性。（1）實驗平臺。根據壓力傳感器性能測試的需求，搭建了壓力傳感器的性能測試平臺。平臺主要有高低溫箱、壓力氣路、鋼瓶氣源、壓力控制器、高精度電流源以及高精度電壓表。鋼瓶氣源的氣體經過減壓閥減壓之后通過壓力氣路進入壓力控制器，能夠精確調壓為需要的氣體壓力，并通過壓力氣路傳導至壓力傳感器，高低溫箱能夠控制環境溫度，高精度電流源提供+In、-In端輸入電源，高精度電壓表測量+Out、-Out端輸出電壓。（2）性能試驗。隨機抽取了兩個傳感器，在常溫（25℃）、85℃兩個不同的溫度點下分別測試傳感器在 0MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa等不同的壓力點下的輸出表現（壓力先0～1MPa逐漸升高再1～0MPa逐漸降低）。取供電電流為1.5mA，傳感器的輸出（單位mV）如表1所示。

表1

根據表1中的測試結果，對傳感器的線性度、零點溫漂、滿度溫漂進行計算和評價，兩個樣品在25℃時線性度最好為0.17%，在85°時線性度最好為0.16%，零點溫度穩定性最好為0.17%，滿度溫度穩定性最好為0.22%，具有較好的線性度和溫度穩定性，完全能夠滿足工業應用的需求，如表2所示。

表2

4 結語

設計了一種基于硅-玻璃雙層結構的MEMS壓力傳感器芯片的充油壓力傳感器，在25～85℃、0～1MPa范圍內，該傳感器輸出具有良好的溫度穩定性和線性度，能夠滿足OEM使用的要求。