一种耐高温、耐恶劣环境大压力传感器的设计

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1、第４５卷第４期应用科技Ｖｏｌ．４５№．４２０１８年８月ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｕｇ．２０１８ＤＯＩ：１０．１１９９１／ｙｙｋｊ．２０１７０９０１５网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１１９１．Ｕ．２０１８０３２０．１４５９．００６．ｈｔｍｌ一种耐高温、耐恶劣环境大压力传感器的设计吴凌慧，徐冬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：为了解决高温恶劣环境下压力测量问题，设计了一种大压力、高过载、耐高温、耐恶劣环境的小体积压差传感器。通过有限元分析对传感器绝缘体上硅（ｓｉｌｉ

2、ｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ，ＳＯＩ）压力敏感膜片结构进行优化设计，使其能够满足恶劣环境的使用要求。通过试验证明这种压差传感器具有良好的耐高温、耐恶劣环境的特性。关键词：耐高温；大压力；有限元分析；传感器；ＳＯＩ膜片；力敏电阻条；优化设计；过载试验中图分类号：ＴＰ２１２．１２文献标志码：Ａ文章编号：１００９－６７１Ｘ（２０１８）０４－１４２－０５ＤｅｓｉｇｎｏｆａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｒｅｓｉｓｔｉｎｇｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈａｒｓｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＷＵＬｉｎｇｈｕｉ，ＸＵＤｏｎｇＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕ

3、ｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＮｏ．４９ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈａｒｓｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｓｍａｌｌｖｏｌｕｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｒｅｓｉｓｔｉｎｇｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｈｉｇｈｏｖｅｒｌｏａｄ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｂａｄｅｎｖｉｒｏｎ⁃ｍｅｎｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｃｏ

4、ｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｉａｐｈｒａｇｍｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓｏｔｈａｔｉｔｃｏｕｌｄｓａｔｉｓｆｙｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｎｂａｄｅｎｖｉ⁃ｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｈａｓｇｏｏｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｅｓｉｓｔｉｎｇｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈａｒｓｈｅｎｖｉｒｏｎｍ

5、ｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｇｒｅａｔｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｅｎｓｏｒ；ＳＯＩｄｉａｐｈｒａｇｍ；ｆｏｒｃｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｔｒｉｐ；ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ；ｏｖｅｒｌｏａｄｔｅｓｔ基于硅微加工压阻式压力传感器的制造技术已模，在保证传感器的结构强度的前提下，对传感器的经很成熟，但是由于这种压阻式压力传感器采用的结构进行模拟、分析和优化，使传感器具有很好的耐［７－８］是硅衬底与扩散电阻间自然形成的Ｐ⁃Ｎ结隔离，力学环境性。Ｐ⁃Ｎ结本身存在漏电现象，所以这种传

6、感器的工作１传感器工作原理温度最高仅为１２５℃，因此，开发用于在高温环境下［１－３］使用的压力传感器越来越受到重视。此外，在１．１传感器总体设计许多的应用领域还要求传感器能够承受较大过载，本传感器将双路敏感元件与信号处理电路整体［４－６］这就对传感器的结构设计提出了更高的要求。封装在不锈钢壳体内，由于传感器是压差传感器，即为解决传感器能够在高温环境下承受长时间、在基座上加工出２个引压孔，使得外界压力通过引大压力的技术难题，本文所介绍的传感器采用了压孔作用于敏感芯片上，利用单晶硅的压阻效应，使ＳＯＩ敏感芯片，并利用三维建模软件对弹性膜片进敏感元件上的电阻条产生电阻变化，导致惠

7、斯通电行实体建模，用有限元分析的方法，对弹性膜片进行桥失去平衡，电桥输出１个正比于压力变化的电压模拟、分析、优化。同时对传感器的结构进行三维建信号，从而实现压力测量，该传感器适用与壳体材料兼容的各种气体或液体的压力测量，传感器示意图收稿日期：２０１７－０９－２２．网络出版日期：２０１８－０３－２０．作者简介：吴凌慧（１９７８－），女，高级工程师．如图１所示。通信作者：徐冬，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｕｄｏｎｇ＿１１１４＠１２６．ｃｏｍ．第４期吴凌慧，等：一种耐高温、耐恶劣环境大压力传感器的设计·１４３·大应变ε＜７００με，