基于PGA900的薄膜微壓傳感器研究

作者簡(jiǎn)介：鹿文龍（1985—），男，工程師，主要研究方向：傳感器及調(diào)理電路設(shè)計(jì)、測(cè)試測(cè)量、信號(hào)采集與處理。

王剛（1986—），男，工程師，主要研究方向：光學(xué)薄膜加工及應(yīng)用研究。

微壓傳感器是一種壓力傳感器，可測(cè)量微小壓力，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、石油管道、水利水電、航空航天等行業(yè)^[1-2]。傳統(tǒng)的微壓傳感器基于硅壓阻式測(cè)量原理，存在溫度特性差的缺點(diǎn)^[3]。本文基于濺射薄膜式測(cè)壓原理^[4]，選擇PGA900 信號(hào)調(diào)理器，充分發(fā)揮薄膜傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研制出薄膜微壓傳感器，并對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了考核驗(yàn)證。

1   薄膜微壓測(cè)量原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

薄膜微壓傳感器采用應(yīng)變式測(cè)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(hù)膜組成^[5]。基底可傳遞并感應(yīng)外界壓力，將壓力量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量。絕緣膜、合金膜和保護(hù)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(guò)離子測(cè)控濺射技術(shù)鍍制成特定的應(yīng)變絲柵圖形，如圖2 所示。應(yīng)變絲柵由2 個(gè)主柵電阻和2 個(gè)輔柵電阻組成，形成1個(gè)惠斯通電橋。基底的應(yīng)變傳遞至合金膜后，應(yīng)變絲柵會(huì)產(chǎn)生變形，從而引起惠斯通電橋輸出發(fā)生改變。電橋的輸出電壓變化與外界壓力變化存在比例關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電橋電壓便可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。保護(hù)膜位于合金膜上表面，材料為SiO₂，對(duì)合金膜起到保護(hù)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(tǒng)微壓傳感器基于硅壓阻原理，通過(guò)半導(dǎo)體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4 個(gè)感壓電阻，由電阻組成惠斯通電橋。當(dāng)承受壓力時(shí)，電阻的電阻率發(fā)生變化，引起電阻值變化，電橋失去平衡產(chǎn)生電壓信號(hào)。電橋電路原理如圖2 所示，輸出信號(hào)滿足公式1 關(guān)系。由于半導(dǎo)體材料的溫度特性不穩(wěn)定，當(dāng)溫度變化時(shí)電橋電阻會(huì)發(fā)生變化，傳感器的輸出會(huì)發(fā)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(yīng)變式原理，外界壓力引起合金膜的應(yīng)變絲柵發(fā)生應(yīng)變，其中主柵電阻被拉伸產(chǎn)生正向應(yīng)變，阻值增大；輔柵電阻被壓縮產(chǎn)生負(fù)向應(yīng)變，阻值減小。電橋失去平衡，輸出差分電壓信號(hào)。薄膜微壓傳感器的應(yīng)變絲柵電阻為金屬材料，電阻的電阻率穩(wěn)定，不會(huì)隨溫度發(fā)生變化。絲柵是通過(guò)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(jié)束后再經(jīng)過(guò)激光調(diào)阻技術(shù)對(duì)絲柵電阻進(jìn)行精密調(diào)整。鍍制的絲柵電阻材料均勻，不含雜質(zhì)，溫度特性一致。如2 所示，在敏感芯體的非應(yīng)變區(qū)域?yàn)R射鍍制溫度補(bǔ)償絲柵，可用來(lái)補(bǔ)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(yīng)變絲柵為金屬材質(zhì)，材料彈性模量較大，外界壓力引起的應(yīng)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(hào)質(zhì)量，需要采取措施提高輸出靈敏度。

2   薄膜微壓傳感器設(shè)計(jì)

2.1 敏感芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)的濺射薄膜敏感芯體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，外形呈“禮帽”狀，上端面密封，下端面內(nèi)部開(kāi)有深槽^[6]。上端面用于感受外界壓力，外徑為12 mm。當(dāng)壓力變化時(shí)上端面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)變，應(yīng)變會(huì)引起鍍制的絲柵電阻變形，電橋輸出對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)。

圖3 常規(guī)薄膜芯體結(jié)構(gòu)圖

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

研究中對(duì)敏感芯體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4 所示，改進(jìn)后的敏感芯體為內(nèi)腔帶硬質(zhì)芯式結(jié)構(gòu)，即芯體的感壓內(nèi)腔帶有一塊硬質(zhì)芯，整個(gè)芯體上表面為Φ18 mm，硬質(zhì)芯直徑為Φ7 mm。當(dāng)壓力作用于芯體內(nèi)腔，由于硬質(zhì)芯的存在，應(yīng)變變形集中分布到內(nèi)腔上表面硬質(zhì)芯外圍區(qū)域。與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，相同壓力產(chǎn)生的應(yīng)變量增大，敏感芯體的輸出靈敏度顯著提高。

圖4 硬質(zhì)芯薄膜芯體結(jié)構(gòu)圖

2.2 密封組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 密封組件結(jié)構(gòu)圖

微壓傳感器的量程小，通常要求具有絕壓測(cè)量能力。而傳統(tǒng)的濺射薄膜壓力傳感器由于敏感芯體暴露在外，只能測(cè)量表壓壓力而不能測(cè)量絕壓壓力。研究中設(shè)計(jì)了密封組件結(jié)構(gòu)，用于密封敏感芯體上表面，為敏感芯體提供真空環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)壓力的測(cè)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(guò)玻璃燒結(jié)工藝密封燒結(jié)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(gè)真空環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕對(duì)壓力的測(cè)量。

轉(zhuǎn)接電路板位于密封結(jié)構(gòu)內(nèi)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(shù)焊接薄膜芯體焊盤(pán)和轉(zhuǎn)接電路板焊盤(pán)，可將芯體信號(hào)引出至外部電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)接。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

薄膜微壓傳感器使用PGA900 進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，該芯片是一款面向電阻式傳感器的信號(hào)調(diào)理器，具有數(shù)字和模擬輸出的可編程傳感器信號(hào)調(diào)理功能。PGA900 具有2 路模擬信號(hào)輸入，分別為1 路壓力信號(hào)和1 路溫度信號(hào)，可對(duì)2 路信號(hào)實(shí)現(xiàn)采集、放大和調(diào)理，采集精度每路為24 位，壓力信號(hào)的放大倍數(shù)最大為400 倍，溫度信號(hào)的放大倍數(shù)最大為20 倍。憑借片上ARM CortexM0 處理器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、線性化等校準(zhǔn)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(fā)器（UART）和2 個(gè)通用輸入輸出（GPIO）端口訪問(wèn)數(shù)據(jù)和配置寄存器。同時(shí)還保留1 個(gè)單線接口OWI，支持通過(guò)電源引腳進(jìn)行單線通信和配置，無(wú)需使用額外線路。片內(nèi)內(nèi)置溫度傳感器，采集溫度范圍為-40～150 ℃。PGA900 傳感器靈敏度可調(diào)節(jié)范圍為1～135 mV/V，內(nèi)部有1 kB 數(shù)據(jù)的SRAM、128字節(jié)的EEPROM 和8 kB 的軟件存儲(chǔ)器。內(nèi)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(hào)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，敏感芯體連接至VBRGP、VINPP、VINPN、VBRGN，使用片內(nèi)溫度傳感器采集環(huán)境溫度。PGA900 可實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感芯體的信號(hào)放大、輸出校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。PGA900 的最高工作溫度可達(dá)150 ℃，還可用于制作耐高溫型薄膜微壓傳感器?；赑GA900 的薄膜微壓傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖6 所示。

圖6 基于PGA900的信號(hào)調(diào)理電路原理圖

信號(hào)調(diào)理電路由穩(wěn)壓芯片MIC5233-5 和信號(hào)調(diào)理器PGA900 組成，其中穩(wěn)壓芯片將外部電壓穩(wěn)定至5 V 為PGA900 供電，PGA900 對(duì)電壓進(jìn)一步濾波處理后為薄膜芯體供電。薄膜芯體輸出的毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)入PGA900，由PGA900 內(nèi)部集成的可調(diào)增益儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大后的信號(hào)由24 位AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。通過(guò)上位機(jī)軟件控制PGA900 內(nèi)部的ARM 處理器對(duì)數(shù)字量進(jìn)行非線性修正、端點(diǎn)標(biāo)定和歸一化處理，經(jīng)調(diào)理后的數(shù)字量由14 位DA 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出。

2.4 傳感器校準(zhǔn)

使用上位機(jī)軟件通過(guò)串口可以操作PGA900 內(nèi)部的ARM 處理器，可控制A/D 采集、校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算、EEPROM 下載和D/A 輸出等過(guò)程。軟件可以利用校準(zhǔn)算法對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行端點(diǎn)校正和線性化修正^[7]。校準(zhǔn)后的參數(shù)可以存入片內(nèi)EEPROM，防止數(shù)據(jù)丟失。校準(zhǔn)完成后，PGA900 上電讀取參數(shù)，輸出正確電壓值。

3   試驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

使用氣介質(zhì)標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)校準(zhǔn)成功的微壓傳感器進(jìn)行性能測(cè)試。氣介質(zhì)壓力計(jì)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(guī)定試驗(yàn)環(huán)境下至少1 h 的待測(cè)傳感器以規(guī)定的安裝力矩安裝在壓力源上，并通以額定的激勵(lì)電源，預(yù)熱15 min后開(kāi)始測(cè)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(cè)試儀器和電源電壓，根據(jù)量程范圍，給傳感器施加3 次滿量程預(yù)壓。根據(jù)滿量程確定均勻分布的檢定級(jí)（不少于5級(jí)）。按檢定級(jí)逐點(diǎn)進(jìn)行正、反3 個(gè)壓力循環(huán)。根據(jù)這3 個(gè)循環(huán)的測(cè)試數(shù)據(jù)， 按標(biāo)準(zhǔn)QJ28A計(jì)算出靜態(tài)特性指標(biāo)。傳感器的輸出特性方程為 Y = a + bX（式中：X 為校準(zhǔn)壓力值；Y 為對(duì)應(yīng)于各校準(zhǔn)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(tài)下分別對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)性能標(biāo)定，得出特性方程。分別計(jì)算3 種狀態(tài)下的遲滯、重復(fù)、非線性，取3 個(gè)溫度點(diǎn)最大測(cè)量精度作為該傳感器的全溫區(qū)綜合測(cè)量精度。經(jīng)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)表

4   結(jié)束語(yǔ)

基于PGA900 的薄膜微壓傳感器充分發(fā)揮了濺射薄膜傳感器性能穩(wěn)定、穩(wěn)定特性好的優(yōu)勢(shì)，利用PGA900內(nèi)部集成的ARM 處理器對(duì)傳感器進(jìn)行了輸出校準(zhǔn)和非線性修正。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的傳感器性能指標(biāo)達(dá)到了較高水平，同時(shí)設(shè)計(jì)的密封組件可以為薄膜芯體提供真空環(huán)境，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)壓力的測(cè)量。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）