泽天传感超低温压力传感器研制方案报告

1、研制背景

随着超低温技术的发展和应用，超导、低温燃料火箭、氢能、原子能技术等需要各种用于超低温环境的压力传感器，以便监测超低温流体压力的变化。由于液氢具有高能量、无污染等特点，已经在运载火箭制动、航空航天发动机上得到了应用，但液氢的超低温、高泄漏、易爆等性能，使其应用在一定程度上受到了一定的限制，其中一个重要原因是相关配套监测设备的缺乏，开发能在超低温环境下安全可靠的压力传感器已经刻不容缓，这在国内属于空白，国外能提供的超低温压力传感器不能测量腐蚀性介质，而且-200℃以下温度产品对我国实行禁运，因此我国液态航天发动机的燃料压力测量，以及超低温冷却系统压力测量仍是急待解决的难题，研制超低温薄膜压力传感器，为我国武器装备的发展提供配套保障具有重要意义。

2、项目研制目标

2.1 本项目产品研制目标

泽天传感采用离子束溅射和刻蚀技术，通过对超低温弹性材料研究、超低温绝缘薄膜制造技术、超低温薄膜温度电阻传感器研究、无引线封装技术研究、温度误差数字补偿技术、超低温压力传感器静态性能校准方法和装置研究等关键技术和工艺进行研究攻关，研制出军用超低温薄膜压力传感器，解决武器装备超低温流体压力的测量与控制中的急需，打破国外技术封锁，为我国武器装备的发展和配套提供技术保障。

2.2 技术平台建设

通过本项目的实施，解决超低温薄膜压力传感器设计、制造和试验中的关键技术，固化工艺形。提供不同测量范围、不同应用环境要求的高性能、高质量的系列化超低温压力传感器产品，满足用户应用需求。

1、建设设计技术平台

通过本项目的实施，建立超低温薄膜压力传感器的泽天标准图库，完善超低温薄膜压力传感器的通用零件库、合格外购件名录，并固化低温材料、薄膜工艺、温度补偿技术、封装设计、电磁兼容设计、可靠性设计等关键技术的设计工艺参数和计算方法。

2、建设制造工艺技术平台

通过本项目的实施，建立起泽天传感超低温薄膜压力传感器加工工装及模具库，如封装夹具、封装接头等工装、模具；建立起通用件工艺库，固化超低温薄膜压力传感器的材料加工、应力消除、深冷强化处理、焊接等工艺的方法、手段和规范，为批量生产打下基础。建立完善的工艺体系和规范文件，确保研制产品的成品率、质量等级和稳定供货等。

3、建设检测技术平台

通过本项目的实施，建立、完善超低温压力传感器性能试验、基本环境试验、可靠性试验的有效方法、试验程序和试验设备设施，创建超低温压力传感器的试验、检测技术平台。

2）专题研究内容

超低温弹性材料研究   常温应用的金属材料在-200℃低温下会急剧脆化和尺寸收缩，需研究适用于-253℃超低温环境的弹性材料选材、结构尺寸设计、处理工艺等。超低温绝缘薄膜制造技术  设计3000MΩ的单层SiO2绝缘薄膜，应用表明在-196℃时其绝缘阻值急剧下降到500MΩ左右，在-253℃可能不能满足200MΩ的要求。需要进一步研究超低温绝缘薄膜制造工艺。

3）超低温压力传感器结构设计研究

针对超低温工作环境下可能发生的结冰、吸潮问题，在借鉴国外超低温压力传感器结构设计技术的基础上，开展传感器结构研究，解决相关问题。

4）超低温薄膜温度电阻传感器研究

由于巨大的温度梯度影响，传感器输出温度影响达到无法使用的程度（通常高达20%以上），必须通过工作在室温环境的电路进行补偿。补偿温度不能参考燃料温度，更不能参考室温，应与敏感电阻栅的温度相同。需要研究在敏感薄膜层淀积铂-铑薄膜低温电阻传感器。

4、研制方案和技术途径

4.1 国内外技术途径对比分析

4.1.1 国外主要技术途径

国外目前商品化的超低温压力传感器主要有半导体压阻式传感器，采用电介质绝缘硅叠硅原理制造而成。可测量-195.5℃的超低温压力，测量线性和重复性可达到0.1%，满量程输出高达100mV。但是，半导体压阻式压力传感器的压力敏感材料（即硅杯）不能直接接触腐蚀性的介质，必须灌充硅油并采用隔离膜片隔离，而任何灌充油在低温下都将凝结成固体，因此，这种传感器的防腐蚀问题一直无法解决，目前，国外所有的半导体超低温压力传感器都不能测量电离性和腐蚀性气体或液体。

薄膜压力传感器具有体积小、重量轻、工作温度范围宽、测量准确度高、抗振动冲击、可直接测量腐蚀性和电离性流体等特点，其优良的技术性能和耐恶劣环境能力引起了世界各国的重视，在国内外军事装备中得到广泛应用，是超低温压力传感器的重要发展方向。国外生产超低温压力传感器的代表性厂家是美国公司，该公司以生产特种高温和超低温压力传感器而闻名于世，可测量-195.5℃介质压力，性能优良，但是不能测量腐蚀性和电离性介质。

4.1.2 国内主要技术途径

目前国内仅有些关于低温电阻应变片的研究，并无相关超低温压力传感器成熟制造与应用的报道。溅射薄膜压力传感器相对电阻应变式压力传感器，其通过薄膜技术代替胶粘技术，消除了胶的影响，没有蠕变和老化现象，同时有着更好的抗振动冲击能力。本项目的研制可以填补我国薄膜压力传感器在超低温测量段的空白，使薄膜压力传感器形成较完整的系列，满足航天航空、武器装备的迫切需求，促进薄膜压力传感器的推广与应用，并逐步实现产业化。同时，缩短我国压力传感器与国外水平的差距，促进我国压力传感器的整体水平的提高。

4.2 产品研制方案及技术途径

总体方案：低温传感器和电路盒设计成分体式结构，低温传感器直接与超低温燃料接口连接，电路盒安装于常温环境，工作温度-50℃～125℃。为了避免低温传感器芯片表面空气结凝，设计成绝对压力传感器，即芯片表面密封真空。对于1MPa及以下量程的传感器，测量低温燃料表压时可能产生约0.5%的误差，为此，在电路盒上安装一个微型大气压辅助传感器，其输出信号连接到电路，用于修正环境大气压变化引起的绝压测量误差。

4.2.1 产品工作原理简述

压力作用在深低温不锈钢弹性膜片上，使膜片产生变形，采用离子束溅射和刻蚀技术在膜片上制作组成电桥的低温薄膜电阻, 膜片变形使电阻阻值发生变化, 电桥输出与压力成比例的电信号。

4.2.2 产品设计

4.2.2.1 参数设计

1）弹性材料选材  可用于低温的弹性材料主要有奥氏体不锈钢、镍钢、低合金铁素体钢、铝合金、铜及铜合金、钦合金、铁镍基超合金、双相钢等。其中用于超低温的主要有奥氏体和马氏体不锈钢。超低温马氏体不锈钢是一种良好的超低温强度和韧性的不锈钢，但是该材料的超细组织质量对低温性能有重大影响，通常只能在接近于液氢（-253℃）的温度下使用。需要选取不锈钢的使用温度可达-269℃，并且良好的强韧性与无磁性。

2）灵敏度温漂 在-296℃时，膜片的应变较常温时有所下降。传感器的灵敏度温漂几乎完全取决于弹性材料的弹性模量稳定性，其大小与弹性模量温度系数近似相等。传感器的灵敏度温漂（即膜片弹性模量的温漂）在-296℃～+100℃范围都不会超过0.03%/℃，可通过后级电路补偿到0.01%/℃以内。

4.2.2.2 产品结构及工艺设计

1）结构设计   传感器部分设计成不锈钢一体化密封结构，内部无可动部件，输出采用超低温耐寒电缆。

2）工艺设计   采用奥氏体低温钢铬镍不锈耐酸钢作为本项目产品结构用材料，其低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，加工遵循相关国家标准，保证加工精度，按照金属深低温处理方法和强化处理工艺进行结构钢稳定性处理。

4.3.3 测试技术平台建设内容及方案

通过本项目的实施，建立超低温薄膜压力传感器的试验、检测技术平台，包括技术性能试验、基本环境试验和可靠性试验的试验方法、试验环境、试验设备设施及试验程序。

4.4 专题研究方案

4.4.1 超低温弹性材料研究    用于-253℃超低温环境的弹性材料选用奥氏体沉淀硬化耐蚀不锈钢，需要进行热处理、深冷处理和强化处理。

4.4.2 超低温绝缘薄膜制造技术

在基片上聚焦离子源轰击靶材，淀积一层难溶金属薄膜，可显著增强薄膜的结合力和稳定性。难熔金属原子的移动性低，薄膜淀积时形成的所有结构缺陷都能保留下来，在深低温或很高的温度范围内也不可能发生变化，稳定性能高。

4.4.3 温度误差数字补偿技术

采用高集成度、高性能的传感器专用信号数字化处理芯片和少量外围元件组成信号放大、补偿和标准化输出电路。提供了传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性的数字补偿，对灵敏度仅为0.5mv/V的微弱差分信号仍能精确稳定的进行放大处理，芯片工作温度达到-55℃～125℃。通过人机对话软件通信界面我们改变相关校准参数，可获得最能体现传感器自身特性的数字量。然后再通过数模转换单元DAC将经过校准调理的数字量转换成模拟电压输出，输出可以通过改变其与供电电压的比例来设置，得到所需要的1～5V标准电压输出。

4.4.4 超低温压力传感器结构设计研究

超低温薄膜压力传感器在超低温环境下使用时会发生结冰、吸潮的情况从而导致产品绝缘下降甚至失效，可能存在的吸潮途径有：芯片表面有大气冷凝；产品内部有大气冷凝；出线上结冰等，可借鉴国外的超低温压力传感器结构形式。芯片与基座、基座与外壳、外壳与电缆座之间的焊接均采用电子束真空焊接方式，保证焊缝低温稳定性和可靠性，芯片采用的是无引线封装方式。在封装完毕后采用电子束焊接方式对无引线封装接头预留的真空封孔进行真空焊接，保证芯片内部为真空，把外壳焊接完毕后，进行电缆引线，再对产品内部整体进行低温胶进行灌封，避免水气侵入芯片和接头部分，产品出线方式采用电缆直接出线的方式，避免了采用低温接插件由于接插件引脚结冰而导致的绝缘差等情况，电缆采用的是超低温耐寒电缆，内部剥线部分涂覆低温胶，并对电缆座部分表面涂覆低温胶，以尽可能地避免由于吸潮而导致的产品失效事故。

5、关键技术/技术难点分析及解决措施

5.1 关键技术/技术难点分析及解决措施

5.1.1 超低温薄膜温度电阻传感器研究

传感器在实际应用情况下，内外存在巨大的温度梯度，此时在内外温度不平衡状态下的输出存在很大的误差，必须通过电路进行补偿。因此需要薄膜电阻低温传感器，以便快速、准确获得敏感电阻栅的温度及温度变化，并提供给补偿电路作参考。需要研究在溅射Pt的同时溅射Rh，或者采用含Rh的Pt靶材，研究Rh的含量对低温性能的影响，研究合理的退火处理工艺等。

5.1.2 超低温传感器无引线封装技术

低温环境下，传统的金丝引线方式会带来不可预计的可靠性问题。而特种玻璃在低温环境下性能稳定、可靠性高。掺Pt、Cr合金粉末的玻璃粉可导电，可实现惠斯登电桥的无引线导出，大大提高了元器件的可靠性。。

5.1.3  超低温压力传感器静态性能校准方法和装置研究

由于传感器工作时是处的环境，低温介质块速流到传感器引压腔，敏感电阻具有不确定且不恒定的温度。因此需要制作一种符合实际使用情况的合适的测量误差评定装置，项目指标产品工作温度为-253℃～100℃，其中低温点为液氢熔点温度，考虑到液氢的危险性，我们不能直接采用-253℃的低温介质来制作低温环境。 需要研究一种安全的校准装置。本文源自泽天传感，版权所有，转载请保留出处。