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)

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)

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0.1～100 Pa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。

电容式薄膜真空压力传感器； 零点漂移； 温度补偿

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[1]。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±5 %，测量下限为10-4Pa，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[2]；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[3～5]，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10-2Pa[6]，探头壳体为电容的一极，输出信号为非线性等特点。

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

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=8.86×10-12εR2π/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，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。

图1 传感器组成示意图

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#高纯Al2O3，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“O”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

(1)

式中 ω为最大挠度，mm；p为薄膜弹性膜片感受的压强，Pa；μ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(200×109)，Pa。

理论设计，在薄膜弹性膜片半径为36mm，薄膜弹性膜片厚度为0.045mm时，由式(1)计算薄膜弹性膜片最大挠度为0.16mm，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0.2mm。

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(0.1Pa)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0.16～0.22mm，如图2所示。

图2 外壳止口高度和上电极安装止口高度控制图

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0.25～0.32 mm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3 mm高度，与固定件用氩弧焊接固定，它与接头之间用O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1×10-9Pa·m3/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。

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。

图4 传感器工作原理框图

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。

图5 输出电容于极板间隙的关系曲线

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[7]，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[8]。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Vo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=Vo/Vi=K·d，使传感器输出电压信号为Vo=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，Ui为交流激励电源电压，工作频率为f，Uo为电路的输出电压，工作频率为f，电路的传递函数应为

(2)

式中 Uo为电路的输出电压，V；Ui为交流激励电源电压，V；C1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。

图6 交流放大电路原理

图7 传感器的输出特征曲线

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 ℃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℃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/℃才满足要求。全电路补偿结果如表1所示。

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20 ℃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0.116 6 %FS,迟滞0.047 %FS,重复性0.011 88 %FS,准确度0.129 67 %FS,零点输出1.002 5 V,满量程输出3.998 85 V,灵敏度0.039 99 V/Pa。

表1 全电路零点补偿结果

图9 正反行程测试曲线

5 结 论

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、自适应非线性补偿电路技术、全电路温度补偿电路技术，实现了该产品在0.1～100 Pa范围内，测量精度优于0.2 %FS。对敏感探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。

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Design of capacitive thin film vacuum pressure sensor

WANG Fan， CUI Hong-min， ZONG Yi-zhong, WANG Wen-bo

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

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.

capacitive thin film vacuum pressure sensor; zero point drift; temperature compensation

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0084—03

2016—12—12

TP 212

A

1000—9787(2017)03—0084—03

王 凡(1958-)，男，高级工程师，从事传感器应用技术研究和设计工作。