振動(dòng)環(huán)境下碳化硅電容式壓力傳感器的零漂分析方法

楊榮森 杜玉玲* 劉成藝

(1、畢節(jié)市工業(yè)和信息化局,貴州 畢節(jié)551700 2、電子科技大學(xué),四川 成都610054)

碳化硅(SiC)電容式壓力傳感器具有靈敏度高、溫度漂移小、結(jié)構(gòu)更健壯、功耗低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在航天、航空等領(lǐng)域[1-3]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口,壓力的變化直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力流場(chǎng)的均勻度,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[4,5]。壓力傳感器作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口壓力的測(cè)量設(shè)備,所處環(huán)境較為復(fù)雜,容易受到鹽霧、沖擊、振動(dòng)環(huán)境載荷影響而失效[6]。振動(dòng)應(yīng)力已成為影響壓力傳感器可靠性的主要環(huán)境因素,振動(dòng)是除溫度外造成航空航天類電子元器件及系統(tǒng)失效的第二大原因,占失效原因的20%以上[7],振動(dòng)環(huán)境中壓力傳感器的失效主要包括:當(dāng)振動(dòng)激勵(lì)頻率處于傳感器固有頻率附近,導(dǎo)致傳感器發(fā)生共振現(xiàn)象,破壞傳感器結(jié)構(gòu)從而喪失正常功能；振動(dòng)應(yīng)力雖未破壞器件內(nèi)部結(jié)構(gòu),但造成關(guān)鍵電氣參數(shù)漂移超過閾值,從而導(dǎo)致器件失效[8,9]。判斷壓力傳感器失效的關(guān)鍵電氣參數(shù)一般采用零點(diǎn)漂移[10],本文采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)振動(dòng)環(huán)境下碳化硅電容式壓力傳感器零漂進(jìn)行時(shí)域分析,采用振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)碳化硅電容式壓力傳感器進(jìn)行零漂測(cè)量。

1 仿真和測(cè)試原理

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

如圖1(a)和圖1(b)所示,碳化硅芯片模型主要包括襯底、敏感膜、絕緣層、鈍化層、參考極板以及電極電容式壓力傳感器。常規(guī)情況下,當(dāng)敏感膜上施加壓力載荷時(shí),采用撓度理論和平板電容理論求得電容式壓力傳感器的電容值[11,12],在振動(dòng)環(huán)境仿真中,由于傳感器敏感膜形變復(fù)雜,難以用常規(guī)的電容求解方法來計(jì)算電容值,本文采用微元法求解振動(dòng)環(huán)境中電容式壓力傳感器的電容[13]。

圖1 碳化硅電容式壓力傳感器模型

1.2 評(píng)判依據(jù)

振動(dòng)環(huán)境下,采用零點(diǎn)漂移作為電容式壓力傳感器的失效判據(jù)[10]。

式中,YS0為傳感器振動(dòng)環(huán)境仿真或測(cè)試中零點(diǎn)輸出最大值,Y0為無振動(dòng)載荷或振動(dòng)測(cè)試前的零點(diǎn)輸出值,YFS為碳化硅電容式壓力傳感器滿量程輸出值。根據(jù)傳感器相關(guān)規(guī)范,當(dāng)傳感器的量程為100kPa、精度為3%FS時(shí),若∣α∣>0.03,則判定傳感器失效。同時(shí),在振動(dòng)測(cè)試過程中,若碳化硅電容式壓力傳感器出現(xiàn)破裂、裂紋、機(jī)械損傷等結(jié)構(gòu)損傷情況,則傳感器失效。

1.3 振動(dòng)時(shí)頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換

1.3.1 隨機(jī)振動(dòng)時(shí)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換

圖2(a)為隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度圖,根據(jù)功率譜(PSD、加速度譜(ASD)以及加速度均方根之間的關(guān)系來轉(zhuǎn)化時(shí)頻信號(hào),采用IFFT快速傅里葉逆變換將圖2(a)所示的隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度頻域信號(hào)轉(zhuǎn)化成圖2(b)所示隨機(jī)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)。利用MATLAB中功率譜密度估算函數(shù)periodogram對(duì)轉(zhuǎn)化后的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行處理,得到圖2(c)所示的時(shí)域信號(hào)生成的功率譜度,轉(zhuǎn)化前后的功率譜差值幾乎為0,轉(zhuǎn)換精度滿足要求。

圖2 隨機(jī)振動(dòng)時(shí)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換

1.3.2 正弦掃描時(shí)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換

正弦振動(dòng)掃描轉(zhuǎn)換方法利用正弦掃描的加速度頻譜以及掃描率的關(guān)系,將每一個(gè)正弦信號(hào)首尾相接,得到最終的時(shí)域信號(hào)。按照正弦振動(dòng)測(cè)試要求,根據(jù)3(a)正弦掃描振動(dòng)加速度譜,確定頻譜段中的頻率點(diǎn)數(shù),并通過已知的掃描率,獲得掃描振動(dòng)頻域中每個(gè)頻率點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)[14],并將每個(gè)頻率正弦信號(hào)首尾拼接,得到如圖3(b)所示的正弦掃描振動(dòng)時(shí)域信號(hào)。

圖3 正弦掃描時(shí)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換

1.3.3 沖擊時(shí)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換

在沖擊頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)時(shí),一般采用合成小波的方法[15],根據(jù)4(a)的沖擊頻域信號(hào),采用合成小波的正弦窗波作為基波,確定每一個(gè)基波的幅值、頻率、延遲時(shí)間和半弦波數(shù),將所有的基波相加得到初始的沖擊信號(hào),并通過四階龍格庫塔法計(jì)算每個(gè)頻率下的最大響應(yīng),將最大響應(yīng)作為該頻率下的幅值,不斷修正時(shí)域信號(hào),直至4(b)中的沖擊頻譜在標(biāo)準(zhǔn)沖擊譜±3dB誤差范圍內(nèi),最終得到4(c)所示的沖擊時(shí)域信號(hào)。

圖4 沖擊時(shí)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換

1.4 振動(dòng)測(cè)試

本次傳感器失效測(cè)試主要是測(cè)試傳感器的電學(xué)性能,將傳感器的零漂作為振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后傳感器性能是否發(fā)生退化的主要判斷依據(jù)。圖5為本次可靠性測(cè)試的傳感器,在振動(dòng)環(huán)境測(cè)試中,主要測(cè)試SiC電容式壓力傳感器零點(diǎn)輸出和滿量程輸出。其中,“零點(diǎn)輸出”是將壓力傳感器與其配套的壓力變換器連接,壓力傳感器所處壓力為500 Pa時(shí),變換器的輸出電壓值；“滿量程輸出”則是壓力傳感器所處壓力為滿量程時(shí),變換器的輸出電壓值,本次測(cè)試傳感器的滿量程為100KPa。

圖5 SiC電容式壓力傳感器實(shí)物圖

振動(dòng)伴隨在傳感器的運(yùn)輸和使用過程中,振動(dòng)影響傳感器電學(xué)性能和機(jī)械性能,本次振動(dòng)環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)包括正弦掃描、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊,高量級(jí)的振動(dòng)能夠影響傳感器的電學(xué)特性。在振動(dòng)試驗(yàn)前,要測(cè)出傳感器零點(diǎn)電壓及滿量程電壓,測(cè)試的接線如圖6所示,記錄變換器的零點(diǎn)輸出值Y0和滿量程輸出值YFS；將傳感器安裝在振動(dòng)臺(tái)上,振動(dòng)試驗(yàn)后,測(cè)出傳感器零點(diǎn)輸出電壓YS0。

圖6 電容式壓力傳感器測(cè)試線路

2 結(jié)果與討論

2.1 輸出特性

圖7為不同壓力下傳感器敏感膜的形變,壓力增大,敏感膜的形變?cè)龃?當(dāng)壓力大于60KPa后,傳感器敏感膜和襯底逐漸發(fā)生接觸。圖8為傳感器仿真和測(cè)試輸出特性曲線,傳感器芯片在整個(gè)區(qū)域的線性度比較高,線性度均大于0.9,接觸區(qū)域的線性度較好,非接觸區(qū)域的靈敏度較大。

圖7 不同壓力下傳感器敏感膜的形變

圖8 傳感器仿真和測(cè)試輸出特性曲線

2.2 固有頻率

傳感器的固有頻率是判斷振動(dòng)頻率范圍對(duì)傳感器形變影響的主要參數(shù),經(jīng)模態(tài)分析,得到傳感器的固有頻率。如圖9所示,碳化硅電容式壓力傳感器仿真模型的最小的固有頻率為75.8 KHz,其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的最大頻率6KHz,傳感器幾乎不會(huì)發(fā)生諧振影響。

圖9 碳化硅電容式壓力傳感器固有頻率

2.3 零漂

按照振動(dòng)載荷的施加要求,本次測(cè)試分別施加了正弦掃描、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊載荷,圖10為傳感器#1和傳感器#2的輸出零點(diǎn)電壓變化階梯圖,在沖擊測(cè)試后,傳感器的零點(diǎn)輸出電壓最大變化量為7mV,沖擊對(duì)傳感器的零點(diǎn)輸出電壓變化量影響最大；在隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試后,傳感器的零點(diǎn)輸出電壓最大變化量為3mV；在正弦掃描前后,傳感器的零點(diǎn)輸出電壓最大變化量為2mV,正弦掃描對(duì)傳感器的零點(diǎn)輸出電壓變化量影響最小。圖11為振動(dòng)環(huán)境中傳感器零漂值,沖擊造導(dǎo)致傳感器有較大的零漂,傳感器的最大零漂測(cè)量值為0.1143 ,仿真值為0.1933 ；隨機(jī)振動(dòng)下,傳感器的最大零漂測(cè)量值為0.0618 ,仿真值為0.05739 ；正弦掃描下,傳感器的零漂值最小,最大零漂測(cè)量值為0.04129,仿真值為7.346×10-5。在正弦掃描、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊等振動(dòng)環(huán)境中,碳化硅電容式壓力傳感器的零漂均小于3%,傳感器的外觀并未出現(xiàn)破裂,傳感器均未失效。

圖10 振動(dòng)環(huán)境下傳感器零點(diǎn)電壓測(cè)試值

圖11 振動(dòng)環(huán)境下傳感器零點(diǎn)漂移

3 結(jié)論

本文提出了一種結(jié)合時(shí)域仿真和振動(dòng)測(cè)試的方法來分析振動(dòng)環(huán)境下的傳感器零漂,通過研究分析,在正弦掃描、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊等振動(dòng)環(huán)境中,本次所用的碳化硅電容式壓力傳感器零漂均小于3%,傳感器的外觀并未出現(xiàn)破裂,零漂值主要與振動(dòng)的量級(jí)相關(guān)。