一種直升機發(fā)動機用壓力傳感器的設計

直升機發(fā)動機內(nèi)部空間狹小，整個系統(tǒng)的控制過程中供油、液壓和壓縮等都需要大量的壓力測量單元，同時為了保證測量的可靠性和準確性，要求傳感器在更小的安裝空間內(nèi)實現(xiàn)高溫（200℃）的多冗余測量。雙冗余高溫壓力傳感器是在同一個耐高溫壓力敏感芯體內(nèi)部封裝兩個獨立但基本性能相同的壓力電橋實時測量壓力，代替兩臺壓力傳感器工作，大幅節(jié)省了空間，傳感器經(jīng)過溫度補償后進行放大處理，輸出兩路壓力信號，在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。

1 設計方案

1.1 整體設計

本次設計的雙冗余高 溫壓力傳感器以高精度、高可靠的硅芯片為核心元件，內(nèi)置模擬溫度補償電路、信號處理電路，經(jīng)過調(diào)理后輸出兩路標準信號，保證產(chǎn)品的可靠性，實現(xiàn)高溫環(huán)境下的應用。雙冗余高溫壓力傳感器的原理框圖如圖1所示。

圖1 雙冗余高溫壓力傳感器原理框圖

1.2 壓力敏感芯體設計

壓力敏感芯片利用壓阻效應工作原理，選用SOI（silicon on insulator）晶圓材料制作敏感芯片。

在敏感芯片上設計4 個敏感電阻組成惠斯登電橋，敏感電阻之間及其與襯底之間由1 層氧化層隔開，消除了高溫環(huán)境下PN 結壓力敏感芯片的功能障礙，保障了傳感器長期在高溫200℃ 下工作的要求。壓力敏感芯體采用隔離式封裝的充油結構，敏感芯片底部用玻璃密封，然后用絕緣膠固定在管座上，壓力敏感芯片上部充滿保護液，封裝在彈性金屬膜片里感受被測壓力，芯片上的敏感電阻引出點用金絲與燒結管座的引腳相連，壓力敏感芯體封裝如圖3 所示。

圖3 雙芯片壓力敏感芯體的封裝形式

1.3 壓力傳感器溫度補償設計

壓力傳感器是根據(jù)硅壓阻電橋的測量原理來實現(xiàn)壓力與電信號的傳遞，而芯片的橋路電阻受溫度的影響會產(chǎn)生有規(guī)律的漂移現(xiàn)象，在橋路結構中，溫度漂移的影響遠遠大于其他條件的影響，所以要針對溫度進行漂移補償，修正因芯片受溫度的影響而產(chǎn)生的漂移誤差，提高壓力傳感器的精度。

本次設計的雙冗余高溫壓力傳感器激勵電源為恒壓模式，這就要對傳感器的恒壓供電溫度補償進行研究，根據(jù)電橋的供電原理圖可得：

根據(jù)理論計算和試驗，本項目采用復合電阻網(wǎng)絡的方式，同時針對傳感器全溫區(qū)的補償精度設計了新的測試方法和流程進行溫度補償。

圖4 復合電阻補償網(wǎng)絡原理圖

圖中R_s是溫度補償電阻網(wǎng)絡，R是橋路電阻。

當溫度升高時，橋路本身的靈敏度輸出變小，同時，橋路的阻抗R 升高。由于溫度補償電阻R_s 的溫度系數(shù)非常小，阻值基本無變化，當總供電電壓不變時，橋路的分壓升高，從而對橋路的靈敏度做出補償，這只是基本原理圖，不同傳感器的補償網(wǎng)絡電路要根據(jù)產(chǎn)品的溫度輸出曲線進行逐點補償，實際操作起來要復雜的多，經(jīng)過補償?shù)膫鞲衅鳒囟绕频玫搅藰O大的改善，能夠滿足航空、航天高精度傳感器的要求。

1.4 信號處理電路設計

電路設計需要從兩方面考慮：①高溫環(huán)境（200℃），②產(chǎn)品體積緊湊；綜合這兩點要求選擇專用的高溫集成芯片來完成壓力信號的處理功能，專用芯片外圍電路簡單，并且能保證產(chǎn)品的精度。

壓力傳感器芯體上的兩個壓力芯片產(chǎn)生的mV 信號通過放大電路轉換為標準電壓信號（0.5 ～ 5 V）輸出，常溫下精度優(yōu)于0.1%FS，通過溫度補償，-55℃ ～ 200℃全溫區(qū)內(nèi)溫度漂移可低于0.02%FS/℃，電路中所有電子元器件均可承受200℃ 高溫，每組測量電橋搭配一套處理電路，兩套處理電路相互獨立，不產(chǎn)生干擾。

圖5 單個傳感器信號電路原理圖

1.5 傳感器結構設計

雙冗余壓力傳感器不但要滿足高溫環(huán)境中的振動和沖擊等要求，還要滿足小體積結構的要求，這就需要可靠的裝配工藝和特殊的結構設計。在抗振動、沖擊等方面，采用高溫硅膠、螺紋膠對線路板和導線進行固定。由于產(chǎn)品的外型尺寸和體積限定，為此，我們采用無蠕變的封裝和高強度的封接技術、低熱漲系數(shù)的保護介質(zhì)充灌、帶油焊接和精密熔化焊接，來確保傳感器結構的合理性。

2   產(chǎn)品可靠性設計

根據(jù)雙冗余壓力傳感器生產(chǎn)中測量數(shù)據(jù)和產(chǎn)品成品率情況統(tǒng)計，影響產(chǎn)品可靠性的因素主要有：壓力敏感芯體的偶然失效、線路板焊接的缺陷和電子元器件失效、工藝過程中的不精心操作等。

2.1 芯體可靠性設計

敏感芯體可靠性設計依賴于經(jīng)過大量實驗的芯片結構設計和成熟的工藝設計以及穩(wěn)定的工藝和重復性。

2.2 電路可靠性設計

放大電路的可靠性依賴于電路的合理化設計、高質(zhì)量等級的電子元器件和元器件的降額使用設計。經(jīng)過產(chǎn)品的性能測試和試驗驗證，產(chǎn)品的可靠性能達到了設計要求和設計目標，能夠完全滿足產(chǎn)品的技術要求。

3   結束語

本次設計的高溫壓力傳感器是工作在直升機發(fā)動機內(nèi)部狹小的空間內(nèi)，1 個傳感器輸出兩路標準信號，代替兩臺壓力傳感器工作，大幅節(jié)省了空間，兩路信號相互獨立，互不干擾，能在-55℃ ～ 200℃ 下穩(wěn)定地工作。

參考文獻：

[1] 徐開先,錢正洪.傳感器實用技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2016,206-281.

[2] 李文璋,任海燕.伺服動力裝置用轉速傳感器的研制[J].計算機測量與控制,2016(4):284-286.

[3] 李煒,鄧勇生.固體火箭發(fā)動機用高頻響壓力傳感器設計[J].固體火箭技術,2018(4):532-536.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）