一種直升機發動機用壓力傳感器的設計

金琦 劉妍 魏曉明 李斌 單鶴南

摘要：設計了一種壓力傳感器在一個壓力敏感芯體內部封裝兩個獨立的壓力電橋實時測量壓力，經過放大電路處理輸出標準信號，每組測量電橋搭配一套處理電路，互不干擾。該設計代替了兩臺傳感器工作，大幅節省了空間，同時采用高溫元件，保證產品能在高溫（200℃）環境下正常工作。

關鍵詞：發動機；壓力傳感器；雙冗余；高溫

直升機發動機內部空間狹小，整個系統的控制過程中供油、液壓和壓縮等都需要大量的壓力測量單元，同時為了保證測量的可靠性和準確性，要求傳感器在更小的安裝空間內實現高溫（200℃）的多冗余測量。

雙冗余高溫壓力傳感器是在同一個耐高溫壓力敏感芯體內部封裝兩個獨立但基本性能相同的壓力電橋實時測量壓力，代替兩臺壓力傳感器工作，大幅節省了空間，傳感器經過溫度補償后進行放大處理，輸出兩路壓力信號，在高溫環境下穩定工作。

1設計方案

1.1整體設計

本次設計的雙冗余高溫壓力傳感器以高精度、高可靠的硅芯片為核心元件，內置模擬溫度補償電路、信號處理電路，經過調理后輸出兩路標準信號，保證產品的可靠性，實現高溫環境下的應用。雙冗余高溫壓力傳感器的原理框圖如圖1所示。

1.2壓力敏感芯體設計

壓力敏感芯片利用壓阻效應工作原理，選用 SOI （silicon on insulator）晶圓材料制作敏感芯片。

在敏感芯片上設計4個敏感電阻組成惠斯登電橋，敏感電阻之間及其與襯底之間由1層氧化層隔開，消除了高溫環境下 PN 結壓力敏感芯片的功能障礙，保障了傳感器長期在高溫200℃下工作的要求。壓力敏感芯體采用隔離式封裝的充油結構，敏感芯片底部用玻璃密封，然后用絕緣膠固定在管座上，壓力敏感芯片上部充滿保護液，封裝在彈性金屬膜片里感受被測壓力，芯片上的敏感電阻引出點用金絲與燒結管座的引腳相連，壓力敏感芯體封裝如圖3所示。

1.3壓力傳感器溫度補償設計

壓力傳感器是根據硅壓阻電橋的測量原理來實現壓力與電信號的傳遞，而芯片的橋路電阻受溫度的影響會產生有規律的漂移現象，在橋路結構中，溫度漂移的影響遠遠大于其他條件的影響，所以要針對溫度進行漂移補償，修正因芯片受溫度的影響而產生的漂移誤差，提高壓力傳感器的精度。

本次設計的雙冗余高溫壓力傳感器激勵電源為恒壓模式，這就要對傳感器的恒壓供電溫度補償進行研究，根據電橋的供電原理圖可得：

根據理論計算和試驗，本項目采用復合電阻網絡的方式，同時針對傳感器全溫區的補償精度設計了新的測試方法和流程進行溫度補償。

圖中 Rs 是溫度補償電阻網絡，R 是橋路電阻。

當溫度升高時，橋路本身的靈敏度輸出變小，同時，橋路的阻抗 R 升高。由于溫度補償電阻 Rs 的溫度系數非常小，阻值基本無變化，當總供電電壓不變時，橋路的分壓升高，從而對橋路的靈敏度做出補償，這只是基本原理圖，不同傳感器的補償網絡電路要根據產品的溫度輸出曲線進行逐點補償，實際操作起來要復雜的多，經過補償的傳感器溫度漂移得到了極大的改善，能夠滿足航空、航天高精度傳感器的要求。

1.4信號處理電路設計

電路設計需要從兩方面考慮：①高溫環境（200℃），②產品體積緊湊；綜合這兩點要求選擇專用的高溫集成芯片來完成壓力信號的處理功能，專用芯片外圍電路簡單，并且能保證產品的精度。

壓力傳感器芯體上的兩個壓力芯片產生的 mV 信號通過放大電路轉換為標準電壓信號（0.5～5 V ）輸出，常溫下精度優于0.1%FS，通過溫度補償，-55℃～200℃全溫區內溫度漂移可低于0.02%FS/℃，電路中所有電子元器件均可承受200℃高溫，每組測量電橋搭配一套處理電路，兩套處理電路相互獨立，不產生干擾。

1.5傳感器結構設計

雙冗余壓力傳感器不但要滿足高溫環境中的振動和沖擊等要求，還要滿足小體積結構的要求，這就需要可靠的裝配工藝和特殊的結構設計。在抗振動、沖擊等方面，采用高溫硅膠、螺紋膠對線路板和導線進行固定。由于產品的外型尺寸和體積限定，為此，我們采用無蠕變的封裝和高強度的封接技術、低熱漲系數的保護介質充灌、帶油焊接和精密熔化焊接，來確保傳感器結構的合理性。

2產品可靠性設計

根據雙冗余壓力傳感器生產中測量數據和產品成品率情況統計，影響產品可靠性的因素主要有：壓力敏感芯體的偶然失效、線路板焊接的缺陷和電子元器件失效、工藝過程中的不精心操作等。

2.1芯體可靠性設計

敏感芯體可靠性設計依賴于經過大量實驗的芯片結構設計和成熟的工藝設計以及穩定的工藝和重復性。

2.2電路可靠性設計

放大電路的可靠性依賴于電路的合理化設計、高質量等級的電子元器件和元器件的降額使用設計。

經過產品的性能測試和試驗驗證，產品的可靠性能達到了設計要求和設計目標，能夠完全滿足產品的技術要求。

3結束語

本次設計的高溫壓力傳感器是工作在直升機發動機內部狹小的空間內，1個傳感器輸出兩路標準信號，代替兩臺壓力傳感器工作，大幅節省了空間，兩路信號相互獨立，互不干擾，能在-55℃～200℃下穩定地工作。

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