一種直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器的設(shè)計(jì)

直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間狹小，整個(gè)系統(tǒng)的控制過(guò)程中供油、液壓和壓縮等都需要大量的壓力測(cè)量單元，同時(shí)為了保證測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性，要求傳感器在更小的安裝空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高溫（200℃）的多冗余測(cè)量。雙冗余高溫壓力傳感器是在同一個(gè)耐高溫壓力敏感芯體內(nèi)部封裝兩個(gè)獨(dú)立但基本性能相同的壓力電橋?qū)崟r(shí)測(cè)量壓力，代替兩臺(tái)壓力傳感器工作，大幅節(jié)省了空間，傳感器經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后進(jìn)行放大處理，輸出兩路壓力信號(hào)，在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 整體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)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(bǔ)償電路、信號(hào)處理電路，經(jīng)過(guò)調(diào)理后輸出兩路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，保證產(chǎn)品的可靠性，實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的應(yīng)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(shè)計(jì)

壓力敏感芯片利用壓阻效應(yīng)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(shè)計(jì)4 個(gè)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(kāi)，消除了高溫環(huán)境下PN 結(jié)壓力敏感芯片的功能障礙，保障了傳感器長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，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(hù)液，封裝在彈性金屬膜片里感受被測(cè)壓力，芯片上的敏感電阻引出點(diǎn)用金絲與燒結(jié)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(bǔ)償設(shè)計(jì)

壓力傳感器是根據(jù)硅壓阻電橋的測(cè)量原理來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力與電信號(hào)的傳遞，而芯片的橋路電阻受溫度的影響會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的漂移現(xiàn)象，在橋路結(jié)構(gòu)中，溫度漂移的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他條件的影響，所以要針對(duì)溫度進(jìn)行漂移補(bǔ)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(shè)計(jì)的雙冗余高溫壓力傳感器激勵(lì)電源為恒壓模式，這就要對(duì)傳感器的恒壓供電溫度補(bǔ)償進(jìn)行研究，根據(jù)電橋的供電原理圖可得：

根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)，本項(xiàng)目采用復(fù)合電阻網(wǎng)絡(luò)的方式，同時(shí)針對(duì)傳感器全溫區(qū)的補(bǔ)償精度設(shè)計(jì)了新的測(cè)試方法和流程進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖4 復(fù)合電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖

圖中R_s是溫度補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)，R是橋路電阻。

當(dāng)溫度升高時(shí)，橋路本身的靈敏度輸出變小，同時(shí)，橋路的阻抗R 升高。由于溫度補(bǔ)償電阻R_s 的溫度系數(shù)非常小，阻值基本無(wú)變化，當(dāng)總供電電壓不變時(shí)，橋路的分壓升高，從而對(duì)橋路的靈敏度做出補(bǔ)償，這只是基本原理圖，不同傳感器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路要根據(jù)產(chǎn)品的溫度輸出曲線進(jìn)行逐點(diǎn)補(bǔ)償，實(shí)際操作起來(lái)要復(fù)雜的多，經(jīng)過(guò)補(bǔ)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(hào)處理電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)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(diǎn)要求選擇專用的高溫集成芯片來(lái)完成壓力信號(hào)的處理功能，專用芯片外圍電路簡(jiǎn)單，并且能保證產(chǎn)品的精度。

壓力傳感器芯體上的兩個(gè)壓力芯片產(chǎn)生的mV 信號(hào)通過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)（0.5 ～ 5 V）輸出，常溫下精度優(yōu)于0.1%FS，通過(guò)溫度補(bǔ)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(cè)量電橋搭配一套處理電路，兩套處理電路相互獨(dú)立，不產(chǎn)生干擾。

圖5 單個(gè)傳感器信號(hào)電路原理圖

1.5 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙冗余壓力傳感器不但要滿足高溫環(huán)境中的振動(dòng)和沖擊等要求，還要滿足小體積結(jié)構(gòu)的要求，這就需要可靠的裝配工藝和特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在抗振動(dòng)、沖擊等方面，采用高溫硅膠、螺紋膠對(duì)線路板和導(dǎo)線進(jìn)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(wú)蠕變的封裝和高強(qiáng)度的封接技術(shù)、低熱漲系數(shù)的保護(hù)介質(zhì)充灌、帶油焊接和精密熔化焊接，來(lái)確保傳感器結(jié)構(gòu)的合理性。

2   產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)

根據(jù)雙冗余壓力傳感器生產(chǎn)中測(cè)量數(shù)據(jù)和產(chǎn)品成品率情況統(tǒng)計(jì)，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(guò)程中的不精心操作等。

2.1 芯體可靠性設(shè)計(jì)

敏感芯體可靠性設(shè)計(jì)依賴于經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成熟的工藝設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定的工藝和重復(fù)性。

2.2 電路可靠性設(shè)計(jì)

放大電路的可靠性依賴于電路的合理化設(shè)計(jì)、高質(zhì)量等級(jí)的電子元器件和元器件的降額使用設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)產(chǎn)品的性能測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品的可靠性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠完全滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

3   結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的高溫壓力傳感器是工作在直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部狹小的空間內(nèi)，1 個(gè)傳感器輸出兩路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，代替兩臺(tái)壓力傳感器工作，大幅節(jié)省了空間，兩路信號(hào)相互獨(dú)立，互不干擾，能在-55℃ ～ 200℃ 下穩(wěn)定地工作。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）