介紹了高精度衛星壓力傳感器的技術要求、工作原理、結構設計、電路設計和測試結果。討論了開發過程中的關鍵技術和解決方案。該傳感器基于硅微壓阻效應原理，在電子電路中采用相關的半導體平面技術、微加工技術和信號調理補償技術，將壓敏元件和調理電路集成在殼體內。該傳感器具有非線性好、工作溫度范圍寬、耐沖擊過載、性能穩定可靠等特點。

衛星在飛行中進行大量的科研、軍事和民用任務，密封腔內的壓力是保證許多設備正常運行的必要條件。例如，衛星攝影和相位系統，如果沒有正常的大氣壓力在地面上，相機將不清楚。研制了用于密封腔室壓力測量與控制的衛星高精度壓力傳感器。它的研制成功，對于打破國外武器封鎖，加快國內武器裝備現代化具有現實意義。

1關鍵指標分析

1.1非線性

非線性是影響傳感器靜態精度的三大因素之一。為了保證傳感器的高精度，必須對指標進行改進。對于小量程壓阻式壓電換能器，壓阻式壓電換能器的非線性應在0.5% FS至0.2% FS的范圍內。為了保證傳感器的高精度，設計了非線性補償，使傳感器的非線性為0。在1% FS范圍內。

1.2零漂(穩定性)

零點漂移是傳感器短時間內穩定性的度量，也是傳感器保證長期測量穩定性的前提。只有壓力傳感器的零點漂移指數足夠小，才能保證對衛星密封腔內壓力的長期控制精度。在設計壓敏元件和調理電路時，應注意信號的匹配，并注意元件的選擇，以減少輸出漂移。

1.3脈沖過載

該指標的需求量很高，為1500g。因此，在整體結構設計中應給予保證。

2工作原理

2.1壓敏元件的工作原理

壓敏元件采用壓阻效應原理，利用半導體技術和微加工技術在半導體單晶硅片上形成惠斯通電橋，將被測壓力轉換成電壓信號。

圖1是惠斯通電橋的原理圖。在由4個電阻組成的電平行四邊形中，當在一組對角點上施加恒流時，在另一組對角點上靜態地產生輸出電壓△U，其值由下式給出:

對壓阻式壓力傳感器來講，當器件未感受壓力時，4個電阻沒有發生變化，傳感器輸出為零位輸出，此時△U靜 =U0 ．從使用角度講，希望越小越好．當器件感受壓力時，電阻R1 、R3，阻值增； R2、R4 阻值減小，因此產生一個與壓力成正比的電信號輸出 △U 靜。

圖 1 惠斯登電橋示意圖

2．2 傳感器工作原理

壓力傳感器是通過其核心部件一壓力敏感元件將壓力轉換成電壓信號即△u靜，然后再通過調理電路將這個信號調理成滿足合同要求的信號引．

(a)方形硅杯電阻分布圖

圖2虛線框內的部分是調理電路。它包括電路保護、濾波、恒流電源、線性補償、放大等部分，各部分完成了電路的內外保護、干擾濾波、壓敏元件恒流電源和溫度補償、輸出信號線性補償、輸出信號放大等功能。

3總體方案設計

3.1總體結構設計

傳感器的整體結構包括兩個主要組成部分:接頭和外殼。它經過精心設計，使結構緊湊，體積小，功能齊全。該接頭完成幾種功能:壓敏元件的密封安裝，固定調理電路板的安裝，全范圍壓力密封試驗;外殼具有包含傳感器所有內部元件、電氣連接安裝和傳感器安裝固定的功能。機身內灌膠，提高殼體的抗振性和抗沖擊性。壓敏元件的結構設計是根據傳感器的量程和結構要求進行的。壓敏元件的整體結構由壓敏元件外殼、矩形雙島硅膜、外引線、厚膜補償板、襯底、靜電密封底座、內引線、保護膠等組成。傳感器的敏感元件是在單晶硅上形成與傳感器量程相應厚度的彈性膜片，然后通過微電子技術在彈性膜片上形成四個可變電阻，形成惠斯通電橋。當施加壓縮力時，彈性膜片會發生變形，形成兩個正應變區和負應變區，材料的電阻率也會相應發生變化。換能器的壓力傳感元件是一種工藝好、性能優異的方形薄膜。方形膜片布置時的惠斯通橋電阻及彈性膜片上的應力分布如圖3所示。

(b)應力分布

3．2 電路設計

1)調理電路原理設計

調理電路的設計準則是在保證可靠性和安全性的前提下滿足合同的性能要求。調理電路包括電路保護、濾波、恒流供電、線性補償、放大等部分，各部分完成電路的內外保護、干擾動濾波、液位(壓力)傳感器恒流供電及溫度補償、線性補償、輸出信號放大等功能。

2)電路板設計

在印刷電路板的設計過程中，為了減少電子電路的輻射發射，減少由于電流流經電路導線而產生的差膜輻射形成的環形面積，印刷電路元件的設計和處理準則應符合GJB362-96《印刷電路板設計與使用》的基本原則和規定。由于細而長的回線具有較高的電感，其阻抗隨頻率的增加而增大。為了避免引起阻抗耦合，使用銅箔板和盡可能寬的走線。電源布線時，在考慮安全條件下，電源線盡量靠近地線，以減少差膜輻射的環面積，也有助于減少電路的干擾。另外，避免了印制電路板線材的不連續，走線寬度設計無突變，線材無突變角。為了提高傳感器的工藝可靠性，設計了印刷電路板與外引線連接，使引線與電路板之間的連接更加可靠。各功能的引線與外部部分的電氣連接可采用雙線連接，以增加可靠性。電子元器件的選用是電子技術的基礎，其質量等級和特性必須滿足設計和使用的要求。電路的濾波、接地和屏蔽設計是電路板設計的一部分。電路的濾波、接地和屏蔽設計是針對電磁干擾的三要素，即干擾源、傳播路徑和敏感器件進行設計的。電路設計與結構設計相結合，使搭接、接地、屏蔽相結合，使濾波器最能滿足設計要求。電路保護設計也是電路板設計的一部分。傳感器設計本身沒有感應元件，無輻射源，內部實行一次性全粘罐密封，不僅增強了傳感器抗沖擊和振動的能力，提高了可靠性，而且不會對外部環境設備造成危害。傳感器的輸入輸出設計有電氣保護，輸入電源反接，輸出短路和部分電路損壞，輸出大于5.6V小于0.85 v的電壓不會對系統造成損壞。該電路的合理性在產品的實際飛行中得到了驗證。

3.3可靠性設計

1)壓敏元件可靠性設計

壓敏元件的材料為單晶硅。由于該材料是硬脆材料，在設計彈性結構時必須留有較大的余量，以保證傳感器的可靠性。對于傳感器中使用的壓敏元件的安全性，根據其工作結構的特殊性，可采用彈性力學中的強度能理論將膜片可能感受到的縱向應力和橫向應力代入如下公式

求出的等效平均應力，當等效應力小于或接近彈性極限內允許的最大應力時，則彈性元件的最大應力是可采用的．否則必須重新設計．為了保證傳感器具有足夠高的安全性，通常取 d為小于彈性極限的1．5～2倍．

2)調理電路的可靠性設計

在滿足需方技術指標要求的前提下，簡化設計，采用精減的電路，用最少的元件實現相應功能。在設計傳感器電路時，采用防干擾和輻射屏蔽設計，提高了抗強電磁干擾的能力。輸入、輸出端采用極性、過壓保護措施，以免電源接反或輸出與電源短路而造成傳感器的損害．輸入輸出的電連線與電路板連接均有工藝孔，與電連接器連接盡量采用單功能雙線連接．

3)結構可靠性設計

在結構設計上，采用盡可能簡單的結構完成目標要求，各連接處及危險結構處均進行強度校核，并根據所計算的應力及可靠性應力分布理論進行可靠性預計：根據應力強度干涉理論，結構件工作應力為，材料強度(如硬鋁抗拉強度、膠的剪切強度等)為，假設兩者均服從正態分布，如圖 4 所示

注:為應力的平均值;:為強度均值;為應力的標準差;為強度的標準差。圖4應力強度干涉模式

4. 關鍵技術研究

4.1增強抗電磁干擾能力的措施

傳感器的形狀和重量已由實際工程確定，濾波電路必須簡單實用。本設計使傳感器調理電路直流不獨立接地(接地)，而是通過高頻電容實現交流接地，使干擾有了自己的通路，減少了需要增加濾波電路功能的更多元件，實現了傳感器與系統雙點接地。這樣不僅大大提高了傳感器的抗電磁干擾能力，而且沒有增加更多的元件。該方法在實際工程應用中得到了驗證。

4.2研磨和屏蔽技術

良好的連接是接地和屏蔽(抗干擾)的保證。在傳感器的設計過程中，內外共設計了7個重疊點，以保證傳感器與系統的良好重疊。使用屏蔽電纜可以防止不必要的輻射和外部干擾。為了獲得最大的屏蔽效率，要求屏蔽層末端的接地阻抗非常低，即存在非常小的鍵阻。電纜的屏蔽層一端與傳感器的外殼連接，另一端與地連接，屏蔽層外面有絕緣護套，以保證其屏蔽效果。

4.3非線性補償技術

非線性補償是通過電阻回路輸出換能器，反饋到壓敏元件的電源端，控制壓敏元件的電源，達到非線性補償的目的。對于正非線性的壓敏元件，恒流源運放的反相輸入需要反饋，反之亦然。