薄膜式压力传感器零位漂移分析与测试方法研究

薄膜式压力传感器测量精度高、响应迅速，被广泛应用于航天、船舶、水利等领域。但是该类传感器在制造过程中，受制造工艺影响，压力芯体会随时间产生不同程度的零位漂移。当传感器出厂后投入正式使用时，其零位已存在一定程度的漂移，进而在测试时会引入新的零位误差。为了减小传感器零位漂移误差影响，进一步提高薄膜式压力传感器的测量精度，本文对传感器零位漂移问题进行分析，并提出一种薄膜式压力传感器零位漂移测试方法，可在传感器出厂后对其测量漂移量进行检测，保证传感器使用时的测量精度。

一、薄膜式压力传感器工作原理

薄膜式压力传感器利用应变电阻的工作原理，采用溅射薄膜芯体作为敏感元件进行压力的测量。压力传感器主要由敏感组件、放大组件、外罩和引出线构成，如图 1 所示。当被测量介质的压力作用在弹性不锈钢膜片一侧时，弹性膜片受到压力作用产生变形，位于另一面的惠斯顿电桥桥臂电阻薄膜发生相应的物理形变，其阻值也随之改变。电桥输出与压力成线性比例，形变方向决定输出信号的变化方向。

二、薄膜式压力传感器零位漂移机理分析

压力芯体在生产制造过程中，当其弹性体加工后的应力以及薄膜结构缺陷导致的内应力去除不完全时，随着时间的推移，从产品出厂前单元测试到产品包装保存，再到产品出厂后投入正式使用，其应力释放会导致压力芯体上的桥臂电阻发生一定程度的变化，进而导致压力芯体产生零点漂移。

在装配过程中，压力芯体与接头的电子束焊接后，焊缝中存在一定的残余应力。若焊缝处残余应力释放不足，会引起压力敏感膜片发生形变。而应力方向的不确定性会导致压力芯体形变方向具有随机性，进而敏感元件的输出变化方向也具有随机性。

经过上述分析，压力芯体制造过程中，弹性体应力、薄膜内应力以及产品焊接应力等释放的残余应力，会导致压力芯体零点漂移。残余应力的充分释放方法，除了出厂前单元测试时测试外，还需要进行相当长时间的持续应力释放，且时间越长，应力释放越充分。但对于残余应力充分释放的具体时间界定，目前行业仍未有统一说法。

三、薄膜式压力传感器零位漂移测试方法

本文提出一种薄膜式压力传感器零位漂移的测试方法：设计自动供配气设备，通过供气模块对传感器输入真实气源压力；同时通过电路模块接收传感器测量输出的 TTL 电压，并通过传感器自带的转换系数将测量电压转换为对应压力物理量；通过配气模块可按需小幅度调整传感器的输入气源压力，进而对比输入气压的表压值与测量电压转换所得的压力物理量值之间的一致性，得到传感器在小压力范围内的测量精度与零位漂移量。通过测得的传感器零位漂移量，可判断产品的零位性能是否正常。若零位漂移量在有效范围内，可以通过测试得到的漂移量对零位进行补偿，以提高测量精度；若零位漂移超出有效范围，则判定产品失效，进行返厂检修，以提高产品性能与功能的可靠性。本文设计的自动供配气设备，包括供配气模块、电路控制模

块、监测模块、供电模块。

（一）供配气模块。供配气模块通过小型气瓶作为供气气源，并通过电磁阀控制气源，实现对压力传感器指定气源压力的输出。

其中，小型气瓶可进行拆卸与替换，且体积满足便携式要求。配气模块控制气源压力输入值，可通过电磁阀控制给压力传感器提供稳定的压力输入，并通过控制电磁阀调节器动作完成对输出压力的调节。同时，模块的输入控制气路中设置压力限幅，限制最高输入压力为0.2Mpa ，通过限幅排气阀实现。最后，在供配气测试结束后，或是需要调小供配气输出压力，可通过放气阀进行压力传感器内气压的排放。

（二）电路模块。电路模块包括驱动控制板卡、安全控制板卡及供电模块等，实现对减压阀调节器的自动驱动，控制设备给压力传感器供指定数值的气压，同时可通过监测模块信息完成逻辑判断，保证输出气源压力的安全性。

驱动控制板卡接收上位机发出的增压指令后，驱动减压阀调节器动作，控制减压阀输出稳定气压。对压力传感器进行放气时，则驱动板卡接收上位机发出的泄压指令，驱动放气阀开关动作，控制放气阀开关完成压力传感器的泄压。

安全控制板卡对监测模块采集得到的输出气压信息、传感器输出电压信息以及限幅排气阀气压信息进行逻辑诊断，若采集到的气压信息与电压信息均超出上位机预设幅值，则板卡判断输出气压超出限制，设备故障，则安全控制板卡向驱动控制板卡及供电模块发送指令，先通过驱动控制板卡调节减压阀调节器动作至非工作位置，再对电路控制模块进行断电，并通过监测模块观察设备输出给传感器的气压和传感器输出的电压值变化情况。

（三）监测模块。监测模块包括集成式数字压力表与数字电压表。压力表显示供配气模块的输出端压力，用于对压力传感器实际输入气压值的显示与监测。数字电压表用于测量传感器输出的TTL 电压信号。

（四）供电模块。供电模块采用集成在PCB 板上的板载电源模块，主要对电路控制模块和监测模块板卡各元件进行稳压供电，同时用于给压力传感器输出 DC5V±2V 稳压供电。在故障模式下，供电模块除了监测模块部分供电以外，其余需快速响应安全控制模块的断电指令，避免对产品造成损害。

根据薄膜式压力传感器的零位漂移分析结果，本文提出了薄膜式压力传感器零位漂移测试方法。根据实际应用情况，本文提出的方法有效、可行，减小了传感器投入使用时因制造过程产生残余应力导致的零位漂移对产品测试的影响，提高了传感器的测量零位精度以及测量结果的可靠性。同时该方法操作简单，测试效率高，可实现多组产品并行的自动化测试，适应高密度测试需求。

参考文献：

[1] 董飞宇，周冰 . 一种便携高精度超声应力设备及焊缝残余应力研究 [J]. 制造技术与机床，2023.12

[2] 王昭，吴祖堂 . 新型薄膜式压力传感器的参数设计 [J]. 爆炸与冲击，2023.07

[3] 春军伟，张安睿 . 薄膜式压力传感器在隧道模型试验中的标定研究 [J]. 北方交通，2022.01

[4] 曾晓斌 . 溅射薄膜式压力传感器可靠性研究 [D]. 国防科学技术大学，2009.2

[5] 王营军，陈山 . 地面供配气系统中孔板节流特性分析 [J]. 导弹与航天运载技术，2020.01

作者简介：李睿冬（1995—），男，汉族，江苏连云港人硕士研究生，运载火箭测试发射技术