1 引言
随着社会的发展，单一型压力传感器已经不能满足用户的需求，对复合型压力传感器的需求也就越来越大。该项目以硅压阻式压力传感器为基础，具有广泛的通用性和适应性，同时具有灵敏度、分辨率高、准确度高、频响高、稳定性高、寿命长、易复合、集成和机电一体化、体积小、功耗小的明显优势，可以向数字化、集成化、智能化、网络化的方向发展，具有很大的潜力和需求前景。本项目研制的复合型压力传感器，可以提供一般用户所需求的标准电压信号，用来测量水深，同时提供三路开关量信号，设置系统在水中的报警深度信号和安全信号，从而时刻保证仪表系统在水中处于安全的水深位置。
2 压力传感器工作原理
图1示出了硅压阻敏感芯片结构，敏感元件和弹性元件是由同一片单晶硅材料一体化制作。以100 mm直径单晶硅晶圆为衬底，使用计算机辅助设计工具设计芯片结构、掩膜版图、制作工艺参数、芯片封装结构及机械加工图纸。采用半导体平面工艺技术，在硅片的正面制作四个用“pn”结电隔离的p型扩散硅敏感电阻元件，用金属铝薄膜连接四个电阻形成半开式惠斯登电桥。使用微机械加工的各向异性化学腐蚀方法，在硅片的背面，制作梯形微空腔结构的弹性元件，作为参考压力腔；为了得到较高的灵敏度，芯片的参考压力腔结构为等边梯形，采用阳极键合工艺，将绝缘玻璃圆片与硅晶圆背面刚性连接，作为参考压力腔的绝缘和应力隔离衬底。
利用扩散硅电阻率的压敏效应，构成惠斯登电桥的四个扩散硅电阻，如图2所示，在受压力发生形变的弹性体的正负应变区上采用埘称设计，扩散硅电阻阻值因电阻率随被测介质的压力增加而增加或减小，造成惠斯登电桥的不平衡电桥，在测量压力和电信号的激励下，利用高精度的电子电路，输出协议要求的模拟信号和数字信号。
敏感芯片的封装上使用承压性能高、可熔焊的专用烧结绝缘基座来固定支撑敏感芯片，用引线丝连接芯片电极和基座电极；使用多种熔焊工艺将耐腐蚀膜片与基座焊接，使芯片正面感压腔与(海)水介质和外界环境隔离；使用真空浸灌工艺，将不可压缩的保护液真空净化后充入膜片密封的基座内腔，最后焊接封堵保护液充灌孔。压力测量时，敏感器件的波纹膜片与被测压力介质直接接触，膜片和刚性保护液能够同步线性的传递，将被测压力施加到芯片正面。如图3所示。
3 复合压力传感器工作原理
3.1 复合压力传感器的结构设计
该复合压力传感器的使用环境一般在水中，同时为了保证传感器在海水下也能正常工作，而且也要避免传感器信号处理电路部分受到海水和盐雾的腐蚀，该产品采取分体式结构，即传感器本体(敏感器件)与信号电路盒分为相互独立的两个部分，通过电连接器租导线将它们连接。其外形如图4，5所示。
图4所示的传感器本体部分为充灌密封隔离结构，芯片采用绝压封装形式，由于传感器直接与海水接触，外壳采用全不锈钢材料，同时与海水直接接触的膜片也采用了耐腐蚀材料，从而保证传感器在海水中能长时间正常工作；传感器的引出线用硅胶完全密封处理，防止传感器管座与海水直接接触。图5所示为信号电路盒部分，外壳采用铝材料，表面进行了阳极氧化处理以提高电路盒表面的防潮性能。
3.2 复合压力传感器的电路设计
复合压力传感器电路盒的电路部分主要完成的功能是把传感器本体的信号放大为标准的电压信号，同时为仪表系统提供3路开关量信号，原理框图如图6所示。
复合压力传感器电路盒的电路主要由以下几部分组成：
①电源部分。电源供电电压为5 VDC，而且深度信号为0～5 VDC的标准信号。信号处理芯片往往有一定的零点失调和电压损耗，单电源供电的情况下信号很难调整到绝对的0电位，这在电路的设计上，不但需要一个升压芯片，而且也要求有反向电压芯片；在电路处理部分首先要选择电源模块进行电源转换，将5 V的激励电源转换成高电源和正负电源，在设计时选择5 V到±12 V的电源模块。
②信号放大部分。传感器本体输出的是毫伏信号，很难被计算机等控制系统识别，因此要利用运算放大器进行信号放大，采用集成的四运放器件，利用一个稳压管和一个运放组成一个1 mA的恒流源，给传感器供电，其余三个运放组成一个仪表放大器对信号进行放大，通过零点电阻和增益电阻的调节输出0～5 V的信号。示意图如图7所示。
③信号设定部分。用一个电压基准和一串精密电阻，通过电阻阻值的调节在不同的水深位置设定不同的电压信号；通过所测电压信号的大小，可以反映仪表系统在水中是否处于安全水深位置，从而控制仪表系统在安全水深能正常工作。示意图如图8所示。
④开关量输出部分。利用电压比较器，将传送来的深度信号和设定信号进行比较，通过比较器后，输出高低电平。仪表系统通过对3路高低电平的识别，从而判断仪表系统在水中的位置是否为安全水深，防止仪表系统过深或过浅，有效保证仪表系统正常工作。
4 可靠性设计与工作
产品的可靠性工作是项目研制的一个重要考核指标，这也是评价产品优劣的一项重要指标，针对该复合压力传感器主要做了以下几项措施：
①芯体和敏感元件经过多道工序的质量检测，如硅膜片腐蚀完进行芯片检测，保证芯片质量，并且敏感元件经过机械、电功率、温度老化筛选，剔除早期失效传感器器件。
②敏感芯片结构设计为灌封密封隔离结构，采用耐腐蚀金属材料和刚性连接方法，在气密性、耐压强、抗振动和温度冲击、耐腐蚀、增强了传感器的恶劣环境适应能力和寿命。
③电子元器件尽量采用降额使用原则和贴片封装，提高产品可靠性和抗振动性，将零点调节和增益调节的电位器调试完毕后改为金属膜电阻，增强整机的抗振动性和稳定可靠性。
④传感器电路设计采用精密仪表放大器和热敏电阻网络技术，对传感器的线性、温度等参数进行调整，保证了设计指标高于用户要求的技术指标。
⑤产品出厂之前，做了高低温试验、随机振动试验、短期稳定性等考核筛选试验，保证产品的环境适应力强、稳定性高等特点。
5 结 论
复合压力传感器使用时，传感器本体与电路盒之间用电连接器和导线连接，电路盒为传感器本体提供电源激励，传感器本体把压力信号(水深)线性的传递给敏感芯片后，惠斯登电桥的四个扩散硅电阻发生形变，在电源的激励下输出毫伏信号，通过电路盒后得到标准的深度信号和开关量信号。此种类型的复合型压力传感器，不但提供普通用户需要的深度信号(标准电压信号)，而且提供保护系统的开关量信号，有很好的市场前景。 |
