1、背景描述

样本针堵针检测功能的传感器，原来使用的是TE的传感器。后来是因为针生锈的问题，又改用恒永达的堵针传感器集成模块。最后恒永达的传感器模块由于不能用于液体的检测，方案被否决掉了。TE的传感器目前能够满足基本需求，可以区别样本针堵与不堵的状态，但是市场更高需求的是，空吸与纯水的区别。

为了这个需求，通过调研，选型了一款新的传感器，所以我们要去研究一下新的传感器的基本知识，达到后期更好的运用。那么问题就来了，如下，展开了一些疑问：

1.1问题研究

1）新选型传感器是否适合液体压力检测？为什么适合？应用的什么材料？

（答：适合液体检测，与液体接触部分是不锈钢材料，具有耐腐蚀性能）

2）工作原理是什么？

（答：基本原理是惠斯通电桥结构，核心是传感器的封装技术）

3）灵敏度跟那些因素有关？

（答：见下文）

4）哪些因素会影响传感器性能？怎么避免

（答：温度，通过温度补偿技术）

1.2新选型的传感器的

新选型的是Honeywell，26PC系列，规格书部分如下：

2、结构原理与封装技术

这种属于硅集成压力传感器，硅集成压力传感器从资料上查找有电容式和压阻式，本文所讨论的压阻型压力传感器。

要将压力或流体流量转换成硅晶体的形变，从而引起电阻条电阻的变化。不言而喻，应避免热应力所引起的压力测量值虚假结果 ，只有高温封接时才引起热应力。图 1所示，玻璃载体与钢管的连接属于高温封接应首先进行。

热应力大部份集中在两者的接合处。芯片和玻璃载体间用静电封接，这样芯片边缘便无热应力。避免热应力的另一方法是选用热膨胀系数与硅相近的材料作芯片的载体。硼硅玻璃的热膨胀系数与硅相近。温度变化引起的热应力小。

从这一角度说．硼硅玻璃与硅的封接是最理想的。这种封接法在绝对压力测量的传感器中经常使用。因为这种传感器需要制作一个真空参考压力，芯片与载体间必须是密密严紧的，保证不漏气，并且不能由接合层逸出气体。

否则会破坏真空，提高参考压力，恶化长期工作稳定性。例如用高分子粘结剂封接时就属于这种情况。考虑到热应力对压力测量的影响，芯片和载体间的封接面积越小越好。
压力传感器所测定的流体往往有腐蚀性或易爆性，此时传感器的封装需采用波纹不锈钢片与介质隔离，同时又不妨碍压力的传递，使压力衰减。目前可应用于压力传感器的方法很多，各自存在一定的优缺点和难易程度不同，没有一个统一的封装方法。选定什么封装方法应以传感器的应用场合和现有的工艺装备条件为准绳 。

对机械、热学、电问题进行合适的模拟，并进行实验确定最佳的封接方法。

3、硅压阻式模型与灵敏度

根据硅膜片的力学性质分析 ,硅膜片结构不同 ,在 P 作用下膜片的应力分布也不同 ,可以证明在确定位置的应力与压力成正比。那么在膜片相应的部位采用半导体工艺制作电阻条 ,由于压阻效应 ,则有相应的电阻变化量ΔR输出 ,且ΔR与相应部位膜片的应力σ成正比 ,且满足 :

其中πl为纵向压阻系数 , πi 为横向压阻系数 ,σl为纵向应力 , σi 为横向应力 ,假定采用图2所示结构的压阻膜片 ,可以证明沿晶向作用硅电阻时 ,电阻的压阻系数最大且大小均为π44/ 2 ,其中π44为剪切压阻系数 ,可用实验测定。故 R1 和 R3 的相对变化量为 :

通过计算圆形膜片的径向应力σl 和切向应力σi 分别为 :

其中 a为膜片半径 , r为计算点的半径 , u为泊松比。根据上面

关系 ,即可得到 :

所以硅压阻传感器灵敏度为 :

4、温度影响和注意事项

硅压阻式传感器芯片的性能受温度的影响非常大，主要表现为零点和灵敏度随温度变化而发生漂移，产生漂移的根本原因在：在工艺制作中，组成惠斯通电桥的四个电阻条的表面掺杂浓度和扩散电阻条宽度不可能完全一致，致使四个电阻的阻值不完全相等，温度系数不相等，导致当输入压力为0时，电桥输出不为0，同时该输出随温度的变化而发生漂移，即零点温度漂移；半导体的温度特性导致压阻系数随温度变化，导致压力灵敏也随温度发生漂移；此外，后道工序的芯片与玻璃的静电封装、粘接、硅油及容腔等，都会附加温度影响。综上因素，对封装后的压力传感器（不带温补芯体）的补偿包括零点偏移校准、零点温度漂移补偿和灵敏度温度补偿。

对已经封装好的传感器的温度补偿一般是在其桥臂串并联电阻或者热敏电阻等方法来实现。而这些方法只能用于精度较低的场合。由于补偿电阻与压力传感器中惠斯通电桥的电阻系数不一致，测试也比较困难，所以无论哪种温度补偿方式都无法达到良好的效果，对于要求较高的应用领域（如医疗设备、气动控制等）这些补偿方法很难实现。因此，压力传感器的温度补偿一直是困扰用户的难题所在，也是压力传感器研究和生产的一个关键技术问题。

其次是微压、低压传感器的制造技术和工艺比较高，所涉及到的制造设备非常昂贵。现在市面低压量程压力传感器比较少，价格不菲。与之相反，高压量程的压力传感器的制造成本却比较低。所以，微压、低压传感器的精度和价格也是用户所担忧的问题。

最后是压力传感器晶圆的封装技术已经成为MEMS生产中的瓶颈。MEMS产品早期的封装技术大多数是借用半导体IC领域中现成的封装工艺，不过，由于各类产品的使用范围和应用环境的差异，其封装也没有统一的形式，应根据具体的使用情况选择适当的封装形式。同时，在MEMS产品的制造过程中，封装只能单个进行而不能大批量同时进行。封装在MEMS产品总费用中约占据40%-60%的比例，封装技术已成为MEMS生产中的关键技术之一。通常MEMS产品的量比较小，代工厂就不愿意进行MEMS产品的封装和测试，绝大多数压力传感器的封装都由国外完成。

5、总结：

恒永达传感器模块花了我们较长时间，适配仪器使用。最后还不能用，这个给我们很多启示，不要完全相信销售说的信息，还是要自己花点时间研究，从基本原理，到材料，再到运用。想搞设计，就是刚开始方向要对，对研究方向多琢磨一下，将来才有可能走的更远。