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【摘 要】我国航天飞行器和宇航员专用的一些特殊的传感器，部分需要进口，例如宇航服专用的能输出两路压力信号的传感器，为了替代国外进口件，满足我国航天科技在快速提升过程中对特种元器件的需求。为此，我们利用周边固支弹性膜片的应力-应变原理，设计和制作了符合用户要求的性能良好的双冗余压力传感器，实现了大量程双冗余压力传感器的国产化。
【关键词】双冗余，压力传感器，薄膜应变计，弹性元件
引言：
随着我国航天事业的蓬勃发展，更多先进的新技术、新工艺得到了迅速的发展和普及应用。但是，在高性能元器件方面，我国与国外技术发达国家相比，仍有较大的差距，如用于航天服上气瓶压力监测的35MPa大量程双冗余压力传感器，由于国内没有现成的成熟产品和技术，只能用两只传感器进行代替，增加了航天服的成本、体积和重量，降低了航天飞船的资源运载能力。
冗余设计技术是提高产品可靠性水平的有效设计技术之一，能以最小的代价最大限度的提高产品的可靠性。常见的冗余技术有硬件冗余和解析冗余。为此，应用冗余设计技术，在不显著增加成本、体积、重量和信息计算量的前提下，实现压力传感器的双冗余功能，研制出性能优越的双冗余溅射薄膜压力传感器。
我们利用离子束溅射薄膜技术，在周边固支圆膜片上制作了两个薄膜应变计，经内外引线形成两个惠斯通全桥，研制出了性能指标优于进口产品（表1），可完全替代进口的35MPa应变式双冗余薄膜压力传感器，实现了该产品的国产化。
一、传感器原理
应变式周边固支敏感元件的感压面受到均布压力作用时，弹性膜片发生弹性形变，通过绝缘层传递到应变计的敏感栅，使敏感栅发生拉伸或压缩形变，敏感栅的电阻值亦随之增大或减小。本论文中，我们通过在弹性膜片上的中心和边缘位置各制作4个等值电阻，组成两个相互独立的惠斯通全桥，当给全桥以一定的电压或电流激励时，可以将弹性材料受压力产生的应变转换为与压力成近似线性关系的差模电压输出，实现压力的测量，如图1所示。
敏感元件制作完成后，仅需增加一个调理电路板，即可在同一个传感器中实现两路相互独立的压力信号测量输出，实现传感器的双冗余设计，既不会大幅增加体积、重量和信息计算量，又降低了成本。
二、敏感元件设计
敏感元件由弹性体和弹性体上的溅射薄膜应变计组成。我们采用的是周边固支弹性圆膜片，如图2（a）所示。圆膜片内部受向上的压力P作用，在它的外表面上沿径向D每点r（r为距圆膜片中心O距离）都产生径向应力σr，切向应力σt及其对应的径向应变εr，切向应变εt。圆膜片r=0中心位移（挠度）最大，如图2（b）和（c）所示。在r=处，径向应力和应变均为零。在趋向r=R区间为负向压应力，r=R时径向压应力最大，但非线性也很大。另外，趋向r=0区间为正向拉应力，对应的应变线性较好。而在图2（b）中，切向应变呈拉应力，且在r=0时最大，线性最好。在r=R处，切向应力最小而切向应变为零。根据这个圆形膜片应力-应变的分布特点，要求应变计栅条图形的轴向方向应与切向应力或径向应力方向完全一致，且布置在对应的最大应力方向（切向或径向）可以得到最大输出，传感器灵敏度高。但是，传感器的灵敏度与它的非线性是一对矛盾的参数。因此，必须兼顾非线性要求，牺牲一定的灵敏度而适当提高非线性。因此，外阻栅条布置在r接近R的位置，而内阻布置在圆膜片中心。图3示出了两种版图，图3（a）版图内阻为弧形栅条，它充分利用了圆中心区域线性最好的应变，图3（b）版图内阻和外阻都是条形电阻，条形电阻的取向全部与它的径向方向一致。
上述栅条图形和布图的结果，经传感器实物标定测试，得到灵敏度在1.8mV/V左右，非线性在0.1%左右，综合精度为0.1～0.2级。
三、敏感元件制作
根据周边固支圆膜片小挠度理论下的应力-应变分布曲线关系，确定周边固支弹性体的结构尺寸及应变电阻敏感栅的布置位置后，利用我所成熟的离子束溅射薄膜制作工艺，及离子束刻蚀工艺，进行敏感元件的制作。主要工艺流程如图4所示，图5所示为双冗余压力传感器敏感元件及实物图。
敏感元件采用17-4PH作为弹性体，经过研磨、抛光后，用离子束溅射依次沉积SiO2绝缘膜、NiCr应变电阻膜，然后通过光刻将应变图形刻在NiCr应变电阻膜表面，再利用离子束刻蚀方法对NiCr应变图形进行刻蚀，获得敏感元件所需的应变栅。接着，通过Lift-off剥离工艺在应变计引线焊盘上沉积Au，最后，再次通过Lift-off剥离工艺在应变计上除引线焊盘以外的表面沉积保护膜SiO2。最终制作完成应变式双冗余薄膜压力传感器。
四、测试分析
对制作完成的敏感元件焊接封装和处理后，进行了性能测试。测试结果分析如下。
（一）常温静态性能
首先对封装处理后的传感器进行了常温20℃下的静态性能测试，测试结果见表2和表3。根据测试结果，通过平移端基直线方法计算获得了双冗余压力传感器的非线性和精度性能，与国外样机比较，非线性和精度完全满足要求，见表4。而且传感器的迟滞、重复性也达到了目前同类型的溅射薄膜压力传感器指标要求。版图A的双桥灵敏度之和为3.681mV/V，大于版图B的双桥灵敏度之和3.493 mV/V，符合周边固支圆膜片小挠度理论下，膜片中心切向应变大于径向应变的分析。对于两种版图中出现的其中一个全桥较另一个全桥灵敏度低，分析认为是由于在光刻1过程中，版图与膜片没有完全居中对齐，而是稍稍有点偏移，导致应变计阻值的满量程微应变量有所偏差，造成两个全桥的灵敏度有所差异。为此，我们测试了传感器版图B在常温20℃下的满量程电阻变化量，结果见表5所示，与分析的结果一致。
（二）一致性
为进一步了解传感器的一致性，包括双桥路输出的静态性能一致性，温度性能一致性，我们对传感器在高温70℃、低温-25℃下的性能进行了测试，结果见表6和表7。版图A和B的双桥路输出性能在精度、热零点漂移、热灵敏度漂移和零点时漂均表现出较高一致性，优于样件产品1%FS指标的一致性。
（三）存在的问题
由于传感器的双桥在敏感元件上距离较近，当双路传感器同时通电工作时相互之间产生电磁干扰，使零点输出发生恒定的输出偏移，较单独激励工作时的零点输出偏大，但这种干扰通过栅条组合设计和双桥激励电流方向的调整使其尽量减小，而且不影响灵敏度输出。在不同的激励电压下，零点输出偏移变化量不一样，如图6所示。在6V以下的电压激励下，零点随激励电压的改变基本呈线性变化，当激励电压超出6V以后，零点输出偏移随激励电压的改变呈较快变化，表现出明显的非线性。
虽然传感器中任意一全桥的激励电压通或断，均会影响另一全桥的零点输出，但在通或断电的两种状态下，传感器输出性能不变，只是零点输出发生偏移，图7所示。其中，曲线a为仅全桥1通电激励时输出曲线，曲线b为双桥路同时通电激励时全桥1输出曲线
五、结论
利用周边固支圆膜片小挠度理论的应力-应变分布曲线关系，设计和制作了两种版图的双冗余压力传感器，测试结果表明，两种版图的传感器均具有良好的静态特性和一致性，性能指标优于国外样件，完全满足用户使用要求。但是存在的零点干扰问题也应引起重视，并将在下一步工作中通过设计优化进行解决。
参考文献：
[1]孙薇薇，周虹，有效的冗余设计[J]，电子产品可靠性与环境试验，2008，26，47-50。
[2]张桢，樊丁，航空发动机双冗余架构传感器信息通道故障诊断方法研究[J]，计算机测量与控制，2008，16（11），1522-1524。
[3]李科杰，新编传感器技术手册，北京：国防工业出版社，2002.1。
作者简介：
蓝镇立，男，1980.12，硕士研究生，工程师，研究方向：薄膜压力传感器设计及应用；中国电子科技集团公司第四十八研究所。
【关键词】双冗余，压力传感器，薄膜应变计，弹性元件
引言：
随着我国航天事业的蓬勃发展，更多先进的新技术、新工艺得到了迅速的发展和普及应用。但是，在高性能元器件方面，我国与国外技术发达国家相比，仍有较大的差距，如用于航天服上气瓶压力监测的35MPa大量程双冗余压力传感器，由于国内没有现成的成熟产品和技术，只能用两只传感器进行代替，增加了航天服的成本、体积和重量，降低了航天飞船的资源运载能力。
冗余设计技术是提高产品可靠性水平的有效设计技术之一，能以最小的代价最大限度的提高产品的可靠性。常见的冗余技术有硬件冗余和解析冗余。为此，应用冗余设计技术，在不显著增加成本、体积、重量和信息计算量的前提下，实现压力传感器的双冗余功能，研制出性能优越的双冗余溅射薄膜压力传感器。
我们利用离子束溅射薄膜技术，在周边固支圆膜片上制作了两个薄膜应变计，经内外引线形成两个惠斯通全桥，研制出了性能指标优于进口产品（表1），可完全替代进口的35MPa应变式双冗余薄膜压力传感器，实现了该产品的国产化。
一、传感器原理
应变式周边固支敏感元件的感压面受到均布压力作用时，弹性膜片发生弹性形变，通过绝缘层传递到应变计的敏感栅，使敏感栅发生拉伸或压缩形变，敏感栅的电阻值亦随之增大或减小。本论文中，我们通过在弹性膜片上的中心和边缘位置各制作4个等值电阻，组成两个相互独立的惠斯通全桥，当给全桥以一定的电压或电流激励时，可以将弹性材料受压力产生的应变转换为与压力成近似线性关系的差模电压输出，实现压力的测量，如图1所示。
敏感元件制作完成后，仅需增加一个调理电路板，即可在同一个传感器中实现两路相互独立的压力信号测量输出，实现传感器的双冗余设计，既不会大幅增加体积、重量和信息计算量，又降低了成本。
二、敏感元件设计
敏感元件由弹性体和弹性体上的溅射薄膜应变计组成。我们采用的是周边固支弹性圆膜片，如图2（a）所示。圆膜片内部受向上的压力P作用，在它的外表面上沿径向D每点r（r为距圆膜片中心O距离）都产生径向应力σr，切向应力σt及其对应的径向应变εr，切向应变εt。圆膜片r=0中心位移（挠度）最大，如图2（b）和（c）所示。在r=处，径向应力和应变均为零。在趋向r=R区间为负向压应力，r=R时径向压应力最大，但非线性也很大。另外，趋向r=0区间为正向拉应力，对应的应变线性较好。而在图2（b）中，切向应变呈拉应力，且在r=0时最大，线性最好。在r=R处，切向应力最小而切向应变为零。根据这个圆形膜片应力-应变的分布特点，要求应变计栅条图形的轴向方向应与切向应力或径向应力方向完全一致，且布置在对应的最大应力方向（切向或径向）可以得到最大输出，传感器灵敏度高。但是，传感器的灵敏度与它的非线性是一对矛盾的参数。因此，必须兼顾非线性要求，牺牲一定的灵敏度而适当提高非线性。因此，外阻栅条布置在r接近R的位置，而内阻布置在圆膜片中心。图3示出了两种版图，图3（a）版图内阻为弧形栅条，它充分利用了圆中心区域线性最好的应变，图3（b）版图内阻和外阻都是条形电阻，条形电阻的取向全部与它的径向方向一致。
上述栅条图形和布图的结果，经传感器实物标定测试，得到灵敏度在1.8mV/V左右，非线性在0.1%左右，综合精度为0.1～0.2级。
三、敏感元件制作
根据周边固支圆膜片小挠度理论下的应力-应变分布曲线关系，确定周边固支弹性体的结构尺寸及应变电阻敏感栅的布置位置后，利用我所成熟的离子束溅射薄膜制作工艺，及离子束刻蚀工艺，进行敏感元件的制作。主要工艺流程如图4所示，图5所示为双冗余压力传感器敏感元件及实物图。
敏感元件采用17-4PH作为弹性体，经过研磨、抛光后，用离子束溅射依次沉积SiO2绝缘膜、NiCr应变电阻膜，然后通过光刻将应变图形刻在NiCr应变电阻膜表面，再利用离子束刻蚀方法对NiCr应变图形进行刻蚀，获得敏感元件所需的应变栅。接着，通过Lift-off剥离工艺在应变计引线焊盘上沉积Au，最后，再次通过Lift-off剥离工艺在应变计上除引线焊盘以外的表面沉积保护膜SiO2。最终制作完成应变式双冗余薄膜压力传感器。
四、测试分析
对制作完成的敏感元件焊接封装和处理后，进行了性能测试。测试结果分析如下。
（一）常温静态性能
首先对封装处理后的传感器进行了常温20℃下的静态性能测试，测试结果见表2和表3。根据测试结果，通过平移端基直线方法计算获得了双冗余压力传感器的非线性和精度性能，与国外样机比较，非线性和精度完全满足要求，见表4。而且传感器的迟滞、重复性也达到了目前同类型的溅射薄膜压力传感器指标要求。版图A的双桥灵敏度之和为3.681mV/V，大于版图B的双桥灵敏度之和3.493 mV/V，符合周边固支圆膜片小挠度理论下，膜片中心切向应变大于径向应变的分析。对于两种版图中出现的其中一个全桥较另一个全桥灵敏度低，分析认为是由于在光刻1过程中，版图与膜片没有完全居中对齐，而是稍稍有点偏移，导致应变计阻值的满量程微应变量有所偏差，造成两个全桥的灵敏度有所差异。为此，我们测试了传感器版图B在常温20℃下的满量程电阻变化量，结果见表5所示，与分析的结果一致。
（二）一致性
为进一步了解传感器的一致性，包括双桥路输出的静态性能一致性，温度性能一致性，我们对传感器在高温70℃、低温-25℃下的性能进行了测试，结果见表6和表7。版图A和B的双桥路输出性能在精度、热零点漂移、热灵敏度漂移和零点时漂均表现出较高一致性，优于样件产品1%FS指标的一致性。
（三）存在的问题
由于传感器的双桥在敏感元件上距离较近，当双路传感器同时通电工作时相互之间产生电磁干扰，使零点输出发生恒定的输出偏移，较单独激励工作时的零点输出偏大，但这种干扰通过栅条组合设计和双桥激励电流方向的调整使其尽量减小，而且不影响灵敏度输出。在不同的激励电压下，零点输出偏移变化量不一样，如图6所示。在6V以下的电压激励下，零点随激励电压的改变基本呈线性变化，当激励电压超出6V以后，零点输出偏移随激励电压的改变呈较快变化，表现出明显的非线性。
虽然传感器中任意一全桥的激励电压通或断，均会影响另一全桥的零点输出，但在通或断电的两种状态下，传感器输出性能不变，只是零点输出发生偏移，图7所示。其中，曲线a为仅全桥1通电激励时输出曲线，曲线b为双桥路同时通电激励时全桥1输出曲线
五、结论
利用周边固支圆膜片小挠度理论的应力-应变分布曲线关系，设计和制作了两种版图的双冗余压力传感器，测试结果表明，两种版图的传感器均具有良好的静态特性和一致性，性能指标优于国外样件，完全满足用户使用要求。但是存在的零点干扰问题也应引起重视，并将在下一步工作中通过设计优化进行解决。
参考文献：
[1]孙薇薇，周虹，有效的冗余设计[J]，电子产品可靠性与环境试验，2008，26，47-50。
[2]张桢，樊丁，航空发动机双冗余架构传感器信息通道故障诊断方法研究[J]，计算机测量与控制，2008，16（11），1522-1524。
[3]李科杰，新编传感器技术手册，北京：国防工业出版社，2002.1。
作者简介：
蓝镇立，男，1980.12，硕士研究生，工程师，研究方向：薄膜压力传感器设计及应用；中国电子科技集团公司第四十八研究所。