压力传感器基础知识

石英压力敏感元件的压力传感器研制

引言

谐振式石英晶体压力传感器以其高精度，良好的长期稳定性广泛应用于气压与高度测量、压力自动校准以及精密过程控制等。这种高精度石英晶体压力传感器在结构形式上主要有2种形式，一种是厚膜切变模式，将石英晶体加工成透镜模式，在透镜上制作电极，利用其振动频率与所受压力的变化关系来检测压力的大小，这种传感器对透镜和电极的加工工艺要求很高，产品制造难度大，现已逐渐被其他结构取代；另一种是以石英谐振梁为力敏元件，用波登管或金属膜盒来感受压力，并将压力转换成力作用到谐振梁上，谐振梁的频率随作用压力变化而变化，利用谐振梁的频率变化来检测被测压力的大小。这种压力传感器结构较为复杂，对材料和制造工艺都要求很高，目前，国际上仅有少数几家公司掌握了其关键技术，能够批量提供产品。针对该传感器的制造难题，本文提出了研制全石英压力敏感元件的压力传感器，用石英弹性膜片替代复杂的金属弹性元件，降低制作难度，实现传感器小型化

1传感器的结构与工作原理

石英谐振式压力传感器主要由压力敏感元件和激振电路组成。传感器的结构如图1所示，包括压力接口、压力敏感元件和壳体等。压力敏感元件是传感器的核心，它包括弹性膜片和音叉式力敏谐振器。当压力作用于弹性膜片时，使膜片产生变形，导致膜片沿直径方向产生拉力或压力，并将该力作用到谐振梁上，谐振梁的频率随作用力变化而变化，利用谐振梁的频率变化来检测被测压力的大小。压力敏感元件各部均由石英晶体材料制成。石英力敏谐振器通过光刻和化学腐蚀工艺加工完成，并采用烧结工艺装配到弹性膜片上，然后，在真空条件下，将弹性膜片烧结到已研磨出空腔的基座上，在完成基座与弹性膜片烧结同时也

2石英力敏谐振器制作

石英力敏谐振器是由2个外侧的支撑梁和2个内侧谐振梁构成，电极分布在谐振梁上，且分布在谐振梁的上下表面与侧面，支撑梁上没有电极。利用铜镀层掩蔽，采用各向异性腐蚀液对石英晶体进行刻蚀。采用旋转蒸发方式蒸电极层，侧面电极通过增加特制侧面光源进行光刻，这样，就解决了侧电极制作难题。完成光刻的谐振器需要进行温度循环处理，减少残余应力。力敏谐振器的工艺流程如图4所示。

通过上述过程制出梁的宽度为190μm，2根梁的间距为160μm，梁的长度为4.96 mm 的力敏谐振器，其量程为0～150 gf，中心频率为(40±4)kHz，精度为0.05％，满量程输出为(1.2±0.24)kHz。

3压力敏感元件装配

传感器压力敏感元件结构如图5所示。采用研磨方法加工出压力敏感元件基座的圆形空腔体，由于圆形空腔体的直径与弹性膜片厚度决定了传感器的量程，因此，在加工过程中应严格控制腔体直径。如腔体直径尺寸偏大，则降低量程；反之，则会使量程增大。对研磨后的表面采用各向同性腐蚀液来去除表面由于研磨导致的损伤层，减少机械残余应力。

力敏谐振器与弹性膜片用玻璃粉烧结到一起，使其形成刚性连接。由于力敏谐振器在膜片上的位置直接影响传感器的输出与精度，为此，在烧结过程中采用专用夹具防止谐振器在烧结过程中产生滑移，这也是压力敏感元件制作过程中的关键工艺之一。

基座与弹性膜片之间采用玻璃粉烧结在一起，该烧结过程是在真空条件下进行的。这样，既实现了弹性膜片与基座之间形成刚性连接，又实现了压力腔体的真空密封，从而完成了传感器的真空封装。为保证传感器的精度，在烧结过程中仍需使谐振器处于空腔的中心位置，为此，采用了专用夹具。

将压力敏感元件、传感器激振电路和壳体进行装配，这样，就完成传感器的制作。

4标定测试

在室温条件下，对传感器施加10 V直流电压，进行静态标定，表1给出了1#传感器的典型标定数据，表2给出了2#传感器静态标定数据。

从表1和表2中可以看出：传感器的满量程输出分别为1.1461kHz和1.1599kHz，用每个测量点的正反行程平均值作为标准值计算，传感器精度优于0.05％。

5结束语

在谐振式石英晶体绝对压力传感器研制中，采用石英晶体材料制作弹性膜片，解决了该传感器结构复杂，制作工艺难度大等技术难题。研制出的传感器具有结构简单、精度高、体积小等，其量程为0～120kPa，中心频率为(40+4)kHz，精度为0.05％，适用于高精度绝对压力测量要求。

关于压力敏感元件、压力传感器、压力敏感电阻

目前，中国天地卫星股份有限公司引进英国Senstronics公司研制生产的溅射薄膜压

力传感器，为压力传感器领域增加新亮点。

英国Senstronics公司近年来推出的溅射薄膜压力敏感元件及其压力传感器，在国际上是领

先的，具有前沿性技术水准。它延用了测量压力的金属弹型膜片原理，再注入新的离子束溅

射等先进工艺手段和微机械加工方法，制成敏感压力的桥路电阻，使它具有如下特点：

1、不锈钢类型的弹性膜片材料（17-4PH）耐腐蚀；无隔离膜片，不用灌油充液，体积小，

质量轻；

2、没有PN结带来的高、低温误差大和工作温区小的问题；

3、不受原始贴片方法带来的蠕变、老化缺陷的影响，测量压力稳定性好。

归纳起来，这种溅射薄膜压力敏感元件及其压力传感器的优点为宽的工作温度范围（敏感元

件为-40~+200C，整机为-40~+150C），温度漂移小0.001%C；测量压力范围宽（0.7MPa~220MPa）；体积小（敏感膜片直径仅为Φ7mm），金属一体化结构，结实可靠；测

量精度可达0.05%（包括非线性、迟滞和重复性）；在-40~+150C工作条件下精度为±

0.25%；高稳定性，（1000万次压力循环，其漂移量< 0.1%）；过裁压力为1.4~2.2倍。

利用这种压力敏感元件可制成适用工业各领域使用的压力传感器。特别是它的高可靠性，高

稳定性，宽温度范围和小体积轻质量的特点，更适用于航天、航空、坦克、兵器、舰船等军

事部门，它的批量生产能力，亦适用于大量使用的汽车工业。它的耐腐蚀性能力，可为石

油、化工行业测量压力服务。

压力传感器基础知识

敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并作出响应的元件。如：弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变，形变的程度就是对压力高低的响应，因此，弹性膜盒是一种压力敏感元件。

传感器不但应该对被测量敏感，而且具有把它对被测量的响应传送出去的功能。也就是说，传感器不只是一般的敏感元件，它的输出响应还必须是易于传送的物理量。例如：上诉的弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量，不便于向远方传送。如果把膜盒中心的位移转变为电容极板的间隙变化，就成为输出响应是电容量的压力传感器。

由于电信号最便于传送，所以绝大多数传感器的输出是电量的形式，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。

变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器就称为变送器。（标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如直流4～20mA）有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各种变送器和其他仪表组成检测系统或调节系统。

输出为非标准信号的传感器，必须和特定的仪表或装置配套，才能实现检测或调节功能。为了加强通用性和灵活性，某些传感器的输出可以靠转换器把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号的输入电路或接口的仪表配套。不同的标准信号也可借助于转换器互相转换。例如利用气/电转换器，能把20～100 kPa的空气压力转换成0～10mA的直流电流。

位式作用和连续作用：

位式作用，也称为开关作用，即传感器在输入变量整个变化范围内其输出相应只有两种状态，例如空气状态的“高"和“低"。

位式作用的传感器多用于被测变量的超限报警、连锁保护、顺序控制。例如我们的压力开关。

需要连续检测或调节某些变量时，就必须用连续作用的传感器或变送器。

长野的变送器中所使用的传感器SS—蒸发型半导体应变片的特点：

（1）相对于粘贴式和扩散式，蒸发式为新技术。

（2）其可测压力范围-0.1～0.3MPa；0～200MPa 。

（3）具有很好耐用性和稳定性。

半导体应变片的制作方法：粘贴方式、蒸发方式、扩散方式。

长野的变送器，如KM31、KM10 等，其半导体应变片部分、感应元件（不锈钢隔膜）以及压力接口部分通过焊接连接成一体，具有很高的稳定性和可靠性，抗震性和抗冲击性良好。

蒸发式半导体应变片的具体制作方式如下：

（1）在不锈钢隔膜上使用CVD等离子沉淀一层SiO2绝缘膜

（2）在SiO2绝缘膜上再沉淀一层多晶硅。

（3）在多晶硅上使用激光蚀刻，应变片成型。

（4）用电子束照射蒸镀，配上金制电极。

（5）再使用CVD等离子沉淀一层SiNx保护膜。

根据传感器或变送器的安装场所有无易燃易爆气体及危险程度，选择隔爆型及本安型。

（1）隔爆型在内部电路和周围易燃气体之间采取了隔离措施，允许使用在有一定危险性的环境里。

（2）本安型即本质安全型的简称，依靠特殊设计的电路保证在正常工作及故障（意外短路或断路）状态下都不会引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的场所。