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基于PGA900的薄膜微压传感器研究

作者：鹿文龙1,王刚2(1.陕西电器研究所,西安 710075;2.西安北方光电科技防务有限公司,西安710048) 时间：2022-01-26来源：电子产品世界

编者按：本文基于溅射薄膜技术研制微压传感器，充分发挥溅射薄膜技术优势，通过改进芯体结构解决了输出灵敏度低的难题。使用PGA900信号调理器对薄膜微压传感器进行信号调理，通过内置算法实现传感器温度补偿和性能优化。经过试验验证，传感器的性能稳定、输出特性良好，达到了同类产品的较高水平。

作者简介：鹿文龙（1985—），男，工程师，主要研究方向：传感器及调理电路设计、测试测量、信号采集与处理。

王刚（1986—），男，工程师，主要研究方向：光学薄膜加工及应用研究。

微压传感器是一种压力传感器，可测量微小压力，广泛应用于工业控制、石油管道、水利水电、航空航天等行业^[1-2]。传统的微压传感器基于硅压阻式测量原理，存在温度特性差的缺点^[3]。本文基于溅射薄膜式测压原理^[4]，选择PGA900 信号调理器，充分发挥薄膜传感器技术优势，研制出薄膜微压传感器，并对传感器的性能进行了考核验证。

1 薄膜微压测量原理及技术优势

薄膜微压传感器采用应变式测压原理，如图1 所示，传感器的敏感元件由基底、绝缘膜、合金膜、保护膜组成^[5]。基底可传递并感应外界压力，将压力量转换为应变量。绝缘膜、合金膜和保护膜依次从下往上镀制在基底材料上，绝缘膜为SiO₂材料，具有良好的绝缘特性，用于隔离基底和合金膜。合金膜为金属材料，通过离子测控溅射技术镀制成特定的应变丝栅图形，如图2 所示。应变丝栅由2 个主栅电阻和2 个辅栅电阻组成，形成1个惠斯通电桥。基底的应变传递至合金膜后，应变丝栅会产生变形，从而引起惠斯通电桥输出发生改变。电桥的输出电压变化与外界压力变化存在比例关系，通过测量电桥电压便可实现对压力的测量。保护膜位于合金膜上表面，材料为SiO₂，对合金膜起到保护作用。

图1 敏感元件膜层示意图

图2 敏感芯体丝栅示意图

传统微压传感器基于硅压阻原理，通过半导体制造技术在确定晶向制作相同的4 个感压电阻，由电阻组成惠斯通电桥。当承受压力时，电阻的电阻率发生变化，引起电阻值变化，电桥失去平衡产生电压信号。电桥电路原理如图2 所示，输出信号满足公式1 关系。由于半导体材料的温度特性不稳定，当温度变化时电桥电阻会发生变化，传感器的输出会发生较大漂移，所以硅压阻微压传感器的温度特性较差。

图2 惠斯通电桥电路原理图

与硅压阻原理不同，薄膜微压传感器为应变式原理，外界压力引起合金膜的应变丝栅发生应变，其中主栅电阻被拉伸产生正向应变，阻值增大；辅栅电阻被压缩产生负向应变，阻值减小。电桥失去平衡，输出差分电压信号。薄膜微压传感器的应变丝栅电阻为金属材料，电阻的电阻率稳定，不会随温度发生变化。丝栅是通过离子磁控溅射工艺将同种靶材材料原子溅射沉积而成的，镀制结束后再经过激光调阻技术对丝栅电阻进行精密调整。镀制的丝栅电阻材料均匀，不含杂质，温度特性一致。如2 所示，在敏感芯体的非应变区域溅射镀制温度补偿丝栅，可用来补偿传感器的温度灵敏度漂移，所以薄膜微压传感器具有良好的温度特性。

但是，由于薄膜微压传感器的应变丝栅为金属材质，材料弹性模量较大，外界压力引起的应变量很小，所以传感器的输出灵敏度较低。为提高传感器输出信号质量，需要采取措施提高输出灵敏度。

2 薄膜微压传感器设计

2.1 敏感芯体结构设计

常规的溅射薄膜敏感芯体结构如图3 所示，外形呈“礼帽”状，上端面密封，下端面内部开有深槽^[6]。上端面用于感受外界压力，外径为12 mm。当压力变化时上端面会产生相对应变，应变会引起镀制的丝栅电阻变形，电桥输出对应电压信号。

图3 常规薄膜芯体结构图

由于微压传感器的量程很小，而敏感芯体为金属材质，通常弹性模量较大。相同压力条件下，芯体的应变量与芯体上端面厚度成反比。而芯体的输出灵敏度则与芯体的应变量成正比。要提高芯体的输出灵敏度就必须进一步减小上端面厚度，这给芯体加工带来了很大的难度。

研究中对敏感芯体的结构进行了改进，如图4 所示，改进后的敏感芯体为内腔带硬质芯式结构，即芯体的感压内腔带有一块硬质芯，整个芯体上表面为Φ18 mm，硬质芯直径为Φ7 mm。当压力作用于芯体内腔，由于硬质芯的存在，应变变形集中分布到内腔上表面硬质芯外围区域。与常规结构相比，相同压力产生的应变量增大，敏感芯体的输出灵敏度显著提高。

图4 硬质芯薄膜芯体结构图

2.2 密封组件结构设计

图4 密封组件结构图

微压传感器的量程小，通常要求具有绝压测量能力。而传统的溅射薄膜压力传感器由于敏感芯体暴露在外，只能测量表压压力而不能测量绝压压力。研究中设计了密封组件结构，用于密封敏感芯体上表面，为敏感芯体提供真空环境，从而实现绝对压力的测量。

密封组件由密封壳体、金属插针和堵盖组成，金属插针通过玻璃烧结工艺密封烧结在密封壳体上，在真空条件下将密封壳体焊接在压力接口座上，并将堵盖焊接在密封壳体顶部，可以为敏感芯体提供一个真空环境，实现对绝对压力的测量。

转接电路板位于密封结构内部，焊接固定在金属插针上，并与薄膜芯体上表面保持水平，采用金丝焊接技术焊接薄膜芯体焊盘和转接电路板焊盘，可将芯体信号引出至外部电路，实现信号转接。

2.3 硬件电路设计

薄膜微压传感器使用PGA900 进行信号调理，该芯片是一款面向电阻式传感器的信号调理器，具有数字和模拟输出的可编程传感器信号调理功能。PGA900 具有2 路模拟信号输入，分别为1 路压力信号和1 路温度信号，可对2 路信号实现采集、放大和调理，采集精度每路为24 位，压力信号的放大倍数最大为400 倍，温度信号的放大倍数最大为20 倍。凭借片上ARM CortexM0 处理器实现温度补偿、线性化等校准算法。PGA900带有1 路可编程增益放大器的14 位DAC 模拟输出。具备SPI、I²C、通用异步收发器（UART）和2 个通用输入输出（GPIO）端口访问数据和配置寄存器。同时还保留1 个单线接口OWI，支持通过电源引脚进行单线通信和配置，无需使用额外线路。片内内置温度传感器，采集温度范围为-40～150 ℃。PGA900 传感器灵敏度可调节范围为1～135 mV/V，内部有1 kB 数据的SRAM、128字节的EEPROM 和8 kB 的软件存储器。内部框图如图5 所示。

图5 PGA900组成框图

溅射薄膜敏感芯体的输出灵敏度在PGA900 的信号调节范围内，敏感芯体连接至VBRGP、VINPP、VINPN、VBRGN，使用片内温度传感器采集环境温度。PGA900 可实现对敏感芯体的信号放大、输出校准和温度补偿。PGA900 的最高工作温度可达150 ℃，还可用于制作耐高温型薄膜微压传感器。基于PGA900 的薄膜微压传感器信号调理电路如图6 所示。

图6 基于PGA900的信号调理电路原理图

信号调理电路由稳压芯片MIC5233-5 和信号调理器PGA900 组成，其中稳压芯片将外部电压稳定至5 V 为PGA900 供电，PGA900 对电压进一步滤波处理后为薄膜芯体供电。薄膜芯体输出的毫伏级信号进入PGA900，由PGA900 内部集成的可调增益仪表放大器对信号进行放大处理，放大后的信号由24 位AD 转换器转换为数字量。通过上位机软件控制PGA900 内部的ARM 处理器对数字量进行非线性修正、端点标定和归一化处理，经调理后的数字量由14 位DA 转换器转换为标准电压信号输出。

2.4 传感器校准

使用上位机软件通过串口可以操作PGA900 内部的ARM 处理器，可控制A/D 采集、校准参数计算、EEPROM 下载和D/A 输出等过程。软件可以利用校准算法对采集到的传感器数据进行端点校正和线性化修正^[7]。校准后的参数可以存入片内EEPROM，防止数据丢失。校准完成后，PGA900 上电读取参数，输出正确电压值。

3 试验测试及数据分析

使用气介质标定系统对校准成功的微压传感器进行性能测试。气介质压力计量程为0 ～ 0.7 MPa、精度0.02%，传感器供电电压为15±1 V。将已放置在规定试验环境下至少1 h 的待测传感器以规定的安装力矩安装在压力源上，并通以额定的激励电源，预热15 min后开始测试。

从量程下限加载到量程上限的压力，观察装置的气密情况，检查测试仪器和电源电压，根据量程范围，给传感器施加3 次满量程预压。根据满量程确定均匀分布的检定级（不少于5级）。按检定级逐点进行正、反3 个压力循环。根据这3 个循环的测试数据，按标准QJ28A计算出静态特性指标。传感器的输出特性方程为 Y = a + bX（式中：X 为校准压力值；Y 为对应于各校准压力值的电压输出值；a 为特性方程的截距；b 为特性方程的斜率。）

在常温（20 ℃）、高温（60 ℃）、低温（-40 ℃）3种状态下分别对传感器进行静态性能标定，得出特性方程。分别计算3 种状态下的迟滞、重复、非线性，取3 个温度点最大测量精度作为该传感器的全温区综合测量精度。经测试传感器的最大综合误差小于0.2%FS（如表1）。

表1 薄膜微压传感器性能测试数据表