电容式薄膜真空压力传感器设计

８４　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２０１　７年第３６卷第３期　ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１７）０３－－００８４－０３　电容式薄膜真空压力传感器设计　王凡，崔宏敏，宗义仲，王文博　（中国电子科技集团公司第四十九研究所。黑龙江哈尔滨１５０００１）　摘要：为了满足在工程型号上的使用要求，解决真空压力传感器敏感探头壳体与传感器壳体隔离绝缘　问题；传感器输出信号非线性的补偿问题；传感器热零点漂移的全电路的温度补偿问题，采用电容式薄膜　封装结构，壳体为电容的另一极，在０．１－１００Ｐａ的范围内进行了校准测试，实现了传感器０．２％ＦＳ的测量　精度。　关键词：电容式薄膜真空压力传感器；零点漂移；温度补偿　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－９７８７（２０１７）０３－－００８４－０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｖａｃｕｕｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｆａｎ，ＣＵＩ　Ｈｏｎｇ－ｒａｉｎ，ＺＯＮＧ　Ｙｉ—ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｎ—ｂｏ　（Ｔｈｅ　４９ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｏｄｅｌｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｖａｃｕｕｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ，ｓｏｌｖｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｐｒｏｂｅ　ｃａｓｅ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃａｓｅ，　ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌｓ，ｆｕｌｌ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｚｅｒｏ　ｐｏｉｎｔ　ｄｒｉｆｔ　ｕｓｅ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｈｅｌｌ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｃｔｓ　ａｓ　ａ　ｐｏｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ，ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ（０．１—１００）Ｐａ，０．２％ＦＳ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｖａｃｕｕｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｚｅｒｏ　ｐｏｉｎｔ　ｄｒｉｆｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　０引　言　随着我国空间探测技术和工程的发展，在地球应用卫　星和载人航天器的基础上进行深空探测活动，是进一步了　解宇宙、太阳系和认识地球生命起源和演化过程的重要手　为了解决上述原理的真空计不能完全满足空间探测工　程的应用需要，本文研制了能够满足空间探测工程需要的　电容式薄膜真空压力传感器。　１传感器总体设计　段，也是我国深空探测工程的发展方向和目标。在未来几　十年，我国将对火星进行深入的探测活动，这就对真空压力　的测量提出了新的要求Ｅｌｉ。目前，在现有的真空计中，如　热偶效应原理和热电阻效应原理的真空计非线性较大，一　传感器总体设计如图１所示，当通过阻尼管对传感器　抽气管抽真空时，管内压力减小，真空度增大，薄膜弹性膜　片向下开始移动，与上电极之间产生距离为ｄ，根据平板电　容效应原理，即ｃ＝８．８６×１０　ｇ　＂ｒｒ／ｄ，进气管内的压力发　生变化时，两个电极间隙距离随之变化，而引起电容变化，　件　般为±５％，测量下限为１０２　Ｐａ，存在较大的气体选择性；电　离效应原理的真空计非线性也较大，为－ｔ－５％，测量下限为　１０　Ｐａ，具有气体选择性；这几种真空计在实际应用中将存　在着较大的测试误差　；硅压阻效应原理和硅基薄膜电容　效应原理的真空计，非线性小，测量精度高，没有气体选择　性，由于国内还没有较好的解决微压力感知膜片厚度的加　工减薄工艺问题，测量下限只能为１　ｋＰａ左右　”　，达不到　真空测量的下限要求；而电容式薄膜效应原理的真空计，具　有体积和重量都较大，灵敏度高，没有气体选择性，测量下　限为ｌＯ　Ｐａｌ　，探头壳体为电容的一极，输出信号为非线　性等特点。　真空压力　隔离绝缘结构　阻尼管构件　图１传感器组成示意图　收稿日期：２０１６—１２—１２　第３期　王　凡，等：电容式薄膜真空压力传感器设计　８５　通过调理电路的调理，可以获得由电容变化而获得的电压　信号输出。利用校准的方法，可以建立真空压力与传感器　输出电压的关系，获得真空压力。　２结构的设计　２．１材料的选择　传感器结构设计时，考虑外壳封装材料应与薄膜弹性　膜片的材料要有相近的热膨胀系数、相同的耐腐蚀特性和　可焊性，是结构设计遵循的基本原则。真空压力敏感探头　主要壳体封装材料选用不锈钢（３１６Ｌ），薄膜弹性膜片选用　镍基合金（７１２），上电极材料选用９５犒纯Ａ１　０。，电极镀膜　为银钯合金浆料，引脚与上电极采用弹性导电材料压接，形　成无引线连接体将电容信号引出，调整垫圈材料选用不锈　钢（３１６Ｌ）。传感器外壳材料选用铝合金材料，降低传感器　的重量，隔离绝缘结构件选用环氧树脂玻璃布棒（３８４１）加　工，密封材料选用硅橡胶材料的“０”型圈，通过这些材料的　设计、加工、装配、调试和校准测试，完成电容式薄膜真空压　力传感器的工艺研究过程。　２．２薄膜弹性膜片设计　薄膜电容式真空压力传感器在不同量程时，膜片的厚　度是不同的，与上电极间的距离也不相同。在一般情况下，　薄膜弹性膜片厚度远小于变形量时，可根据大挠度理论建　立的特性方程，进行分析和近似计算，获得最大挠度的近似　解为　＝　１６Ｅ　式中　为最大挠度，ｍｍ；Ｐ为薄膜弹性膜片感受的压强，　Ｐａ；　为薄膜弹性膜片的材料泊松比（取值０．２７２）；Ｒ为薄　膜弹性膜片的半径，ｃｍ；ｈ为薄膜弹性膜片的厚度，ｃｍ；Ｅ为　薄膜弹性膜片弹性模量（２００×１０　），Ｐａ。　理论设计，在薄膜弹性膜片半径为３６　ｍｍ，薄膜弹性膜　片厚度为０．０４５１１１１１１时，由式（１）计算薄膜弹性膜片最大挠　度为０．１６　ｍｍ，在考虑冗余设计后，最终确定薄膜弹性膜片　与上电极间的距离设计为０．２　ｍｍ。　２．３　薄膜弹性膜片与上电极间隙设计和控制　在传感器结构封装后，保证上电极与薄膜弹性膜片在　下限（０．１　Ｐａ）测量时，距离满足理论设计要求，在外壳结构　件设计时，外壳安装止口高度和上电极安装止口高度要求　对加工尺寸偏差进行控制，经结构封装后，薄膜弹性膜片与　上电极间的距离控制范围应为０．１６～０．２２　ｍｍ，如图２　所示。　由于结构件加工因素的影响，一般情况下，这两个结构　件装配后，薄膜弹性膜片与上电极间的距离均偏大，在　０．２５一Ｏ．３２ｍｍ范围内。为了保证与设计要求相符合，通过　对半成品止口高度的精加工的控制，实现薄膜弹性膜片与　目量　　’豳融ｌ暑　ｏ置　（ｂ１上电极止口图　图２外壳止口高度和上电极安装止口高度控制图　上电极间的距离为０．２　ｍｍ，使得每只传感器的信号输出在　一定的范围内，可以满足传感器的一致性要求。　２．４隔离绝缘结构设计与装配控制　传感器隔离绝缘结构设计，是将电容式薄膜真空压力　敏感探头抽气管口处留３ｍｍ高度，与固定件用氩弧焊接固　定，它与接头之间用０型圈、内密封环和外密封环隔离，用　６个绝缘垫圈将６个沉头螺钉安装在传感器壳体上，在６个　螺钉均匀拧紧后，Ｏ型圈沿轴向被压缩大于２０％时，就将　固定件与壳体之间的两个安装平面密封，密封的程度按小　于ｌ×１０一Ｐａ・ｉＴＩ。／ｓ值，用氦质谱检漏方法确定。传感器　壳体内部空隙，用ＧＮ５２１硅胶灌填，在加固电容式薄膜真　空压力敏感探头同时，也减小了振动和冲击传感器零点输　出的影响。密封和隔离结构如图３所示。　封环　图３隔离结构放大图　３电路设计　３．１　电路总体设计　真空压力传感器电路将根据电容式薄膜真空压力敏感　探头的功能特点设计，主要考虑将两个电极间的间隙变化　转换成电容信号的变化，然后通过调理电路将其调理成满　足要求的电压信号。如图４所示。各部分完成了电路的内　外保护、干扰的滤除、传感器的供电及电容信号变换与放大　调理等功能。　３．２　自适应线性补偿原理　真空压力传感器是基于平板电容原理，即Ｃ＝Ｋ×１／ｄ，　即传感器输出电容是两个极板间距离的反比函数关系，说　明传感器探头是具有非线性特征，具体情况如图５所示。　作为真空计进行单点测试时，它的测试精度会很高；但　作为真空压力传感器，要求全量程测试精度时，则它的测试　８６　传感器与微系统　第３６卷　亘）÷．压　叵卜匡豆匦　萎羹毫痞Ｉ．Ｉ　峰　睦圃１：　ｌＩ：　巫Ｈ蛔匦　：Ｉ　Ｉ毒款Ｉ　图４侍威器工作原理框图　Ｉ司隙ｄ／ｍｍ　图５输出电容于极板间隙的关系曲线　精度会很低。为了解决该传感器的非线性问题，在电容效　应的传感器中，往往选择差动式直流充电法将电容信号转　换为电压信号　Ｊ，还有开关检波电路法将电容信号转换为　电压信号，然后采用单片机技术对其信号进一步处理　Ｊ。　在传感器电路设计中，考虑到产品可靠性问题时，一般不会　考虑这样的电路处理方法。所以，需要设计一种可靠性高　的交流放大电路，能够在信号放大过程中自适应地补偿非　线性，实现传感器输出电压信号　、与两个极板间距离ｄ为　正比关系的目的。这种电路应当具有的传递函数为ｋ＝　，／Ｖ．＝Ｋ・ｄ，使传感器输出电压信号为　＝Ｋ・ｄ・Ｖｉ的　线性关系。使传感器输出电压信号自适应地得到自动线性　补偿。　３．３　自适应线性补偿电路设计　根据自适应线性补偿原理，设计一种交流放大电路，其　电路原理如图６所示。其中，Ｕ　为交流激励电源电压，工　作频率为ｆ，Ｕ　为电路的输出电压，工作频率为／，电路的传　递函数应为　Ｕｌ　＝罟Ｃ＝　Ｋ　，　一ｘｄ　（２）　式中Ｕ　为电路的输出电压，Ｖ；Ｕ；为交流激励电源电压，　Ｖ；Ｃ　为电路的输入极电容，ｐＦ；Ｃｘ为传感器探头的输出电　容，ｐＦ；ｄ为两个极板间距离，ｍｍ；Ｋ为比例常数。通过该电　路后，输入输出电压信号呈现线性关系，这一结果与自适应　线性补偿原理分析一致，传感器输出信号为线性，如图７　所示。　３．４热零点漂移补偿电路设计　真空压力传感器探头在结构封装时需要高温加热和抽　真空处理，由于内部真空度、结构的漏率、上下电极材料热　膨胀系数的差异性和调理电路的温度特性都会影响真空压　力传感器热零点漂移的大小。电路设计时考虑到这些因　素，采用全电路补偿方式，在直流信号调零电路中采用热敏　圈６交流放大电路原理　§　幽　蓦　簿　Ｕ　Ｕ．２　Ｕ．４　间隙ｄ／ｍｍ　图７传感器的输出特征曲线　电阻器与固定电阻器串联分压进行传感器零点输出的调　试。全电路温度补偿方式见图８。当传感器需要温度补偿　时，首先将Ｒ１９焊接位短接，在（２５±２）℃的环境中，用真　空校准装置，调试传感器零点输出达到要求的标准值，然后　在－２５￣４０　ｏＣ的温度中测试传感器零点输出的漂移值，计　算传感器温漂系数和漂移方向。根据这个温漂系数和漂移　方向确定合适的热敏电阻器，焊接在Ｒ１９的焊位上。需要　再重新调零时，观察传感器在－２５—４０￣Ｃ的温度中的热零　点漂移情况是否满足要求。经过几次反复调试，直到传感　器热零点漂移小于０．０４％ＦＳ／￣Ｃ才满足要求。全电路补偿　结果如表１所示。　Ｒ２０　＋　Ｖ０　图８全电路温度补偿电路　４传感器校准测试结果　用真空校准装置在２Ｏ℃下对传感器进行调试和校准　后，得到的测试结果如图９所示。测试数据计算处理结果：　非线性０．１１６６％ＦＳ，迟滞０．０４７％ＦＳ，重复性０．０１１８８％ＦＳ，　准确度０．１２９　６７％ＦＳ，零点输出１．００２　５　Ｖ，满量程输出　３．９９８８５Ｖ，灵敏度０．０３９９９Ｖ／Ｐａ。　表１全电路零点补偿结果　不同温度时零点补偿结果／Ｖ　补偿次数　２５℃　２０℃４０℃　（下转第９０页）　传感器与微系统　３６０。后反向转动，回到原位置即为一圈。以２个读数头采　集的方位角位置数据的均值作为码盘实测方位角位置。共　１０组数据，求出后９组数据与第一组相应数据之差作图，得　到的下转台重复定位误差，结果如图５所示。　２　。　第３６卷　参考文献：　［１］程景全．天文望远镜原理和设计［Ｍ］．北京：中国科学技术出　版社，２００３．　［２］　黄垒，魏建彦，姜晓军，等．基于ＰＭＡＣ的天文望远镜控制　系统研究及应用［Ｊ］．天文研究与技术，２０１５（１）：４４－－５３．　［３］　于海，万秋华，王树洁，等．光电轴角编码器误差检测技术　的发展动态［Ｊ］．光电子技术，２０１３（３）：１４５－－１５０．　［４］程向明，张益恭，赵志军，等．基于光杠杆的测角器件检定方　一４　法：中国，２０１３１０００４８８３．９［Ｐ］．２０１３－０１－０７．　０　６０　１２０　１８０　２４０　３００　３６０　［５］　郗志刚，周宏甫．运动控制器的发展与现状［Ｊ］．电气传动自　动化，２００５（３）：１０－１４．　转角　）　图５转台重复定位误差　测试结果表明：下转台各个测试点的重复转动定位误　差在±４”以内。误差的均值为０．０１１　９　；标准差为０．８５７　１”；　重复误差的均方根值为为０．８５６　９”。系统控制性能满足设　计要求。　５结论　［６］Ｄｅｌｔａ　Ｔａｕ　Ｄａｔａ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．Ｔｕｒｂｏ　ＰＭＡＣ／ＰＭＡＣ２　ｓｏｆｔ—　ｗａｒｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｎｌａｌｌｎａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：∥ＷＷＷ．ｄｅｌｔａｔａｕ－ｃｈｉｎａ．　ｃｏｒｎ／，２０１０．　［７］　叶剑，李彬华，程向明，等．新型等高仪转台运动控制系统　设计［Ｊ］．光学技术，２０１５（２）：１７１－１７６，１８０．　［８］　罗钧，马先德，刘学明，等．基于光栅传感器的三坐标数据　采集系统研究［Ｊ］．传感器与微系统，２０１０，２９（４）：３８－４０．　［９　ｊ　Ｄｅｌｔａ　Ｔａｕ　Ｄａｔａ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．Ｐｃｏｍｍ３２　ＰＲＯ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　本文从硬件、软件两方面介绍了基于ＰＭＡＣ的角编码　器检测控制系统。硬件方面，以ＰＭＡＣ控制器为核心，利用　步进电机驱动器控制步进电机实现转台转动。软件方面，　按照系统控制要求设计了控制软件及界面，并实现了ＣＣＤ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：∥ＷＷＷ．ｄｅｈａｔａｕ－ｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ／　ｉｆｌｅｓ／ｚｌｘｚ／ＰＣＯＭＭ３２－－ＰＲＯ．ｐｄｆ．２０１０．　作者简介：　张杨（１９８９一），男，硕士研究生，主要研究方向为高精度运　曝光和角编码器光栅读数头数据采集的同步。经实测，重　复定位误差在±４”以内，满足角编码器检测系统的控制要　求。目前，该控制系统已经投入使用，为光机电系统联调和　角编码器件的检测奠定了基础。　、０　；　、０　ｔ　、：　、　ｔ　ｔ；　ｔ≥　、　ｔ　ｔ　、０；　ｔ；　ｔ　ｔ　、０　ｔ　动控制系统设计与实现。　程向明（１９７７一），男，通讯作者，硕士，高级工程师，硕士生导　师，主要从事天文技术与方法方面的研究工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｘｍ＠ｙｎａｏ．　ａｃ．ｃｎ　；　、０；　：　‘、０　ｔ　、　ｔ：　≯　；　、０；　、：　ｔ：　ｔ　；　、０　ｔ≯　；ｐ、０　ｔ　：　。≯　（上接第８６页）　之　若　ｓｕｒｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ—ｖａｃｕｕｍ　ｇａｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ［Ｊ　Ｉ．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，　１９９８，６４：１５７－－１６４，　［２］Ｈｏｂｓｏｎ　Ｊ　Ｐ．Ｆｉｔｆｙ　ｙｅａｒｓ　ｏｆ　ｖａｃｕｕｍ　ｓｃｉｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａ，２００３，２１（５）：Ｓ７－￥１１．　［３］　张　丹，林　履．基于ＭＥＭＳ技术的电容式微型真空传感　器［Ｊ］．微纳米电子技术，２００８，４５（２）：１０４－１０８．　［４］　陶压力／Ｐａ　也，曾　毅．微型电容式压力传感器硅基薄膜的设计与　制备［Ｊ］．厦门大学学报：自然科学版，２０１３，５２（５）：６２７—６３２．　圈９正反行程测试曲线　［５］　庞　程，赵　湛．ＭＥＭＳ硅膜电容式气象压力传感器的研　５结论　制［Ｊ］．微纳米电子技术，２００７，７（８）：２４９－－２５１，２７８．　［６］Ｈｉｄａｌｇｏ　Ｊ　Ｍ，ｄｅ　Ｓｅｇｏｖｉａ　Ｊ　Ｌ．Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ　ｉｎ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｄｉａｐｈｒａｇｍ　ｇａｕｇｅｓ　ａｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ［Ｊ］．　Ｖａｃｕｕｍ，２００８，８２（１２）：１５０３－－１５０６，　通过对电容式薄膜真空压力传感器的研究和设计，获　得了一种能够满足空间探测工程需要的真空压力传感器产　品，在产品中采用了敏感探头的封装工艺技术、白适应非线　性补偿电路技术、全电路温度补偿电路技术，实现了该产品　［７］　冯佳，李佩　．调幅式电容位移传感器开关检波电路设计　在０．１—１００Ｐａ范围内，测量精度优于０．２％ＦＳ。对敏感探　与［Ｊ］．传感器与微系统，２０１５，３４（５）：８５－８８．　头与传感器壳体之间设计隔离绝缘结构，解决传感器壳体　与电源地分离问题，满足空间探测工程的要求。　参考文献：　［１］　Ｃａｔｌｉｎｇ　Ｄ　Ｃ．Ｈｉｇｈ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｆｏｒ　ｍｅａ・　［８］　叶娟，李新娥．微小型一体化电容式测压器的设计与实　现［Ｊ］．传感器与微系统，２０１５，３４（７）：１３２－－１３９．　作者简介：　王凡（１９５８一），男，高级工程师，从事传感器应用技术研究　和设计工作。