澤天傳感超低溫壓力傳感器研制方案報告
1、研制背景
隨著超低溫技術的發展和應用，超導、低溫燃料火箭、氫能、原子能技術等需要各種用于超低溫環境的壓力傳感器，以便監測超低溫流體壓力的變化。由于液氫具有高能量、無污染等特點，已經在運載火箭制動、航空航天發動機上得到了應用，但液氫的超低溫、高泄漏、易爆等性能，使其應用在一定程度上受到了一定的限制，其中一個重要原因是相關配套監測設備的缺乏，開發能在超低溫環境下安全可靠的壓力傳感器已經刻不容緩，這在國內屬于空白，國外能提供的超低溫壓力傳感器不能測量腐蝕性介質，而且-200℃以下溫度產品對我國實行禁運，因此我國液態航天發動機的燃料壓力測量，以及超低溫冷卻系統壓力測量仍是急待解決的難題，研制超低溫薄膜壓力傳感器，為我國武器裝備的發展提供配套保障具有重要意義。
2、項目研制目標
2.1 本項目產品研制目標
澤天傳感采用離子束濺射和刻蝕技術，通過對超低溫彈性材料研究、超低溫絕緣薄膜制造技術、超低溫薄膜溫度電阻傳感器研究、無引線封裝技術研究、溫度誤差數字補償技術、超低溫壓力傳感器靜態性能校準方法和裝置研究等關鍵技術和工藝進行研究攻關，研制出軍用超低溫薄膜壓力傳感器，解決武器裝備超低溫流體壓力的測量與控制中的急需，打破國外技術封鎖，為我國武器裝備的發展和配套提供技術保障。
2.2 技術平臺建設
通過本項目的實施，解決超低溫薄膜壓力傳感器設計、制造和試驗中的關鍵技術，固化工藝形。提供不同測量范圍、不同應用環境要求的高性能、高質量的系列化超低溫壓力傳感器產品，滿足用戶應用需求。
1、建設設計技術平臺
通過本項目的實施，建立超低溫薄膜壓力傳感器的澤天標準圖庫，完善超低溫薄膜壓力傳感器的通用零件庫、合格外購件名錄，并固化低溫材料、薄膜工藝、溫度補償技術、封裝設計、電磁兼容設計、可靠性設計等關鍵技術的設計工藝參數和計算方法。
2、建設制造工藝技術平臺
通過本項目的實施，建立起澤天傳感超低溫薄膜壓力傳感器加工工裝及模具庫，如封裝夾具、封裝接頭等工裝、模具；建立起通用件工藝庫，固化超低溫薄膜壓力傳感器的材料加工、應力消除、深冷強化處理、焊接等工藝的方法、手段和規范，為批量生產打下基礎。建立完善的工藝體系和規范文件，確保研制產品的成品率、質量等級和穩定供貨等。
3、建設檢測技術平臺
通過本項目的實施，建立、完善超低溫壓力傳感器性能試驗、基本環境試驗、可靠性試驗的有效方法、試驗程序和試驗設備設施，創建超低溫壓力傳感器的試驗、檢測技術平臺。
2）專題研究內容
超低溫彈性材料研究 常溫應用的金屬材料在-200℃低溫下會急劇脆化和尺寸收縮，需研究適用于-253℃超低溫環境的彈性材料選材、結構尺寸設計、處理工藝等。超低溫絕緣薄膜制造技術 設計3000MΩ的單層SiO2絕緣薄膜，應用表明在-196℃時其絕緣阻值急劇下降到500MΩ左右，在-253℃可能不能滿足200MΩ的要求。需要進一步研究超低溫絕緣薄膜制造工藝。
3）超低溫壓力傳感器結構設計研究
針對超低溫工作環境下可能發生的結冰、吸潮問題，在借鑒國外超低溫壓力傳感器結構設計技術的基礎上，開展傳感器結構研究，解決相關問題。
4）超低溫薄膜溫度電阻傳感器研究
由于巨大的溫度梯度影響，傳感器輸出溫度影響達到無法使用的程度（通常高達20%以上），必須通過工作在室溫環境的電路進行補償。補償溫度不能參考燃料溫度，更不能參考室溫，應與敏感電阻柵的溫度相同。需要研究在敏感薄膜層淀積鉑-銠薄膜低溫電阻傳感器。
4、研制方案和技術途徑
4.1 國內外技術途徑對比分析
4.1.1 國外主要技術途徑
國外目前商品化的超低溫壓力傳感器主要有半導體壓阻式傳感器，采用電介質絕緣硅疊硅原理制造而成。可測量-195.5℃的超低溫壓力，測量線性和重復性可達到0.1%，滿量程輸出高達100mV。但是，半導體壓阻式壓力傳感器的壓力敏感材料（即硅杯）不能直接接觸腐蝕性的介質，必須灌充硅油并采用隔離膜片隔離，而任何灌充油在低溫下都將凝結成固體，因此，這種傳感器的防腐蝕問題一直無法解決，目前，國外所有的半導體超低溫壓力傳感器都不能測量電離性和腐蝕性氣體或液體。
薄膜壓力傳感器具有體積小、重量輕、工作溫度范圍寬、測量準確度高、抗振動沖擊、可直接測量腐蝕性和電離性流體等特點，其優良的技術性能和耐惡劣環境能力引起了世界各國的重視，在國內外軍事裝備中得到廣泛應用，是超低溫壓力傳感器的重要發展方向。國外生產超低溫壓力傳感器的代表性廠家是美國公司，該公司以生產特種高溫和超低溫壓力傳感器而聞名于世，可測量-195.5℃介質壓力，性能優良，但是不能測量腐蝕性和電離性介質。
4.1.2 國內主要技術途徑
目前國內僅有些關于低溫電阻應變片的研究，并無相關超低溫壓力傳感器成熟制造與應用的報道。濺射薄膜壓力傳感器相對電阻應變式壓力傳感器，其通過薄膜技術代替膠粘技術，消除了膠的影響，沒有蠕變和老化現象，同時有著更好的抗振動沖擊能力。本項目的研制可以填補我國薄膜壓力傳感器在超低溫測量段的空白，使薄膜壓力傳感器形成較完整的系列，滿足航天航空、武器裝備的迫切需求，促進薄膜壓力傳感器的推廣與應用，并逐步實現產業化。同時，縮短我國壓力傳感器與國外水平的差距，促進我國壓力傳感器的整體水平的提高。
4.2 產品研制方案及技術途徑
總體方案：低溫傳感器和電路盒設計成分體式結構，低溫傳感器直接與超低溫燃料接口連接，電路盒安裝于常溫環境，工作溫度-50℃～125℃。為了避免低溫傳感器芯片表面空氣結凝，設計成絕對壓力傳感器，即芯片表面密封真空。對于1MPa及以下量程的傳感器，測量低溫燃料表壓時可能產生約0.5%的誤差，為此，在電路盒上安裝一個微型大氣壓輔助傳感器，其輸出信號連接到電路，用于修正環境大氣壓變化引起的絕壓測量誤差。
4.2.1 產品工作原理簡述
壓力作用在深低溫不銹鋼彈性膜片上，使膜片產生變形，采用離子束濺射和刻蝕技術在膜片上制作組成電橋的低溫薄膜電阻, 膜片變形使電阻阻值發生變化, 電橋輸出與壓力成比例的電信號。
4.2.2 產品設計
4.2.2.1 參數設計
1）彈性材料選材 可用于低溫的彈性材料主要有奧氏體不銹鋼、鎳鋼、低合金鐵素體鋼、鋁合金、銅及銅合金、欽合金、鐵鎳基超合金、雙相鋼等。其中用于超低溫的主要有奧氏體和馬氏體不銹鋼。超低溫馬氏體不銹鋼是一種良好的超低溫強度和韌性的不銹鋼，但是該材料的超細組織質量對低溫性能有重大影響，通常只能在接近于液氫（-253℃）的溫度下使用。需要選取不銹鋼的使用溫度可達-269℃，并且良好的強韌性與無磁性。
2）靈敏度溫漂 在-296℃時，膜片的應變較常溫時有所下降。傳感器的靈敏度溫漂幾乎完全取決于彈性材料的彈性模量穩定性，其大小與彈性模量溫度系數近似相等。傳感器的靈敏度溫漂（即膜片彈性模量的溫漂）在-296℃～+100℃范圍都不會超過0.03%/℃，可通過后級電路補償到0.01%/℃以內。
4.2.2.2 產品結構及工藝設計
1）結構設計 傳感器部分設計成不銹鋼一體化密封結構，內部無可動部件，輸出采用超低溫耐寒電纜。
2）工藝設計 采用奧氏體低溫鋼鉻鎳不銹耐酸鋼作為本項目產品結構用材料，其低溫韌性、耐蝕性和工藝性均較好，加工遵循相關國家標準，保證加工精度，按照金屬深低溫處理方法和強化處理工藝進行結構鋼穩定性處理。
4.3.3 測試技術平臺建設內容及方案
通過本項目的實施，建立超低溫薄膜壓力傳感器的試驗、檢測技術平臺，包括技術性能試驗、基本環境試驗和可靠性試驗的試驗方法、試驗環境、試驗設備設施及試驗程序。
4.4 專題研究方案
4.4.1 超低溫彈性材料研究 用于-253℃超低溫環境的彈性材料選用奧氏體沉淀硬化耐蝕不銹鋼，需要進行熱處理、深冷處理和強化處理。
4.4.2 超低溫絕緣薄膜制造技術
在基片上聚焦離子源轟擊靶材，淀積一層難溶金屬薄膜，可顯著增強薄膜的結合力和穩定性。難熔金屬原子的移動性低，薄膜淀積時形成的所有結構缺陷都能保留下來，在深低溫或很高的溫度范圍內也不可能發生變化，穩定性能高。
4.4.3 溫度誤差數字補償技術
采用高集成度、高性能的傳感器專用信號數字化處理芯片和少量外圍元件組成信號放大、補償和標準化輸出電路。提供了傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性的數字補償，對靈敏度僅為0.5mv/V的微弱差分信號仍能精確穩定的進行放大處理，芯片工作溫度達到-55℃～125℃。通過人機對話軟件通信界面我們改變相關校準參數，可獲得最能體現傳感器自身特性的數字量。然后再通過數模轉換單元DAC將經過校準調理的數字量轉換成模擬電壓輸出，輸出可以通過改變其與供電電壓的比例來設置，得到所需要的1～5V標準電壓輸出。
4.4.4 超低溫壓力傳感器結構設計研究
超低溫薄膜壓力傳感器在超低溫環境下使用時會發生結冰、吸潮的情況從而導致產品絕緣下降甚至失效，可能存在的吸潮途徑有：芯片表面有大氣冷凝；產品內部有大氣冷凝；出線上結冰等，可借鑒國外的超低溫壓力傳感器結構形式。芯片與基座、基座與外殼、外殼與電纜座之間的焊接均采用電子束真空焊接方式，保證焊縫低溫穩定性和可靠性，芯片采用的是無引線封裝方式。在封裝完畢后采用電子束焊接方式對無引線封裝接頭預留的真空封孔進行真空焊接，保證芯片內部為真空，把外殼焊接完畢后，進行電纜引線，再對產品內部整體進行低溫膠進行灌封，避免水氣侵入芯片和接頭部分，產品出線方式采用電纜直接出線的方式，避免了采用低溫接插件由于接插件引腳結冰而導致的絕緣差等情況，電纜采用的是超低溫耐寒電纜，內部剝線部分涂覆低溫膠，并對電纜座部分表面涂覆低溫膠，以盡可能地避免由于吸潮而導致的產品失效事故。
5、關鍵技術/技術難點分析及解決措施
5.1 關鍵技術/技術難點分析及解決措施
5.1.1 超低溫薄膜溫度電阻傳感器研究
傳感器在實際應用情況下，內外存在巨大的溫度梯度，此時在內外溫度不平衡狀態下的輸出存在很大的誤差，必須通過電路進行補償。因此需要薄膜電阻低溫傳感器，以便快速、準確獲得敏感電阻柵的溫度及溫度變化，并提供給補償電路作參考。需要研究在濺射Pt的同時濺射Rh，或者采用含Rh的Pt靶材，研究Rh的含量對低溫性能的影響，研究合理的退火處理工藝等。
5.1.2 超低溫傳感器無引線封裝技術
低溫環境下，傳統的金絲引線方式會帶來不可預計的可靠性問題。而特種玻璃在低溫環境下性能穩定、可靠性高。摻Pt、Cr合金粉末的玻璃粉可導電，可實現惠斯登電橋的無引線導出，大大提高了元器件的可靠性。。
5.1.3 超低溫壓力傳感器靜態性能校準方法和裝置研究
由于傳感器工作時是處的環境，低溫介質塊速流到傳感器引壓腔，敏感電阻具有不確定且不恒定的溫度。因此需要制作一種符合實際使用情況的合適的測量誤差評定裝置，項目指標產品工作溫度為-253℃～100℃，其中低溫點為液氫熔點溫度，考慮到液氫的危險性，我們不能直接采用-253℃的低溫介質來制作低溫環境。 需要研究一種安全的校準裝置。本文源自澤天傳感，版權所有，轉載請保留出處。