0　引　言

壓阻式壓力傳感器因其采用硅集成電路工藝技術(shù)和硅三維加工技術(shù)制造，利用硅優(yōu)良的力學(xué)特性，用硅膜作為彈性敏感元件。二者一體化、尺寸小、國外公司的最小敏感元件的直徑為0.8mm，國產(chǎn)最小的敏感元件為1mm×1mm。因而固有頻率很高，加上硅材料的楊氏模量很高，硅壓阻檢測元件是惠斯頓電橋模式。因此硅壓阻式壓力傳感器頻響帶寬從零頻開始，高可達(dá)1MHz以上。市面上出售的壓阻式壓力傳感器并非都有很高的動(dòng)態(tài)性能。能制造高頻響壓阻式壓力傳感器的必要條件是：

（1）具有設(shè)計(jì)高諧振頻率壓力敏感芯片并能制造出這種芯片；

（2）芯片與傳感器封裝設(shè)計(jì)必須兼容，使傳感器的封裝結(jié)構(gòu)不降低或可預(yù)見性地少降低固有頻率；

（3）傳感器的封裝設(shè)計(jì)必須與用戶的使用狀況相配合，使得使用安裝不降低或少降低可用頻段。

1　敏感元件設(shè)計(jì)

保證壓阻式壓力傳感器優(yōu)良動(dòng)態(tài)特性的第一步是設(shè)計(jì)有高的固有頻率的敏感元件。為減小運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和避免加速度效應(yīng)，一般采用周邊固支的圓平膜片或方平膜片作為彈性敏感膜。周邊固支的圓平膜片的固有頻率為：

　　　（1）

顯然，硅杯的楊氏模量E，低的密度ρ都有利于獲得高的諧振頻率。如果考慮到硅壓阻式壓力敏感元件的輸出靈敏度與膜片的厚徑比有關(guān)，因此設(shè)計(jì)上提高固有頻率的第一措施是減小膜片的半徑。當(dāng)然這要受到工藝水平、封裝方式、內(nèi)引線方式等的制約。

用于核沖擊波測量的高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器的固有頻率高達(dá)1MHz，就是盡量減小了膜片直徑。在膜片厚度也相應(yīng)變薄情況下，用特殊設(shè)計(jì)避免了強(qiáng)光效應(yīng)的影響。用于創(chuàng)傷醫(yī)學(xué)研究的埋藏植入式微型高頻高壓傳感器和用于測井采油工藝研究的小型高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器也均采用了小直徑的背面平坦面受力的圓平膜結(jié)構(gòu)。其固有頻率超過壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器，達(dá)500kHz以上，幅頻特性曲線的上升時(shí)間及平直段均大大優(yōu)于壓電式壓力傳感器。

2　傳感器設(shè)計(jì)

高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器的封裝設(shè)計(jì)要盡量避免或減小引進(jìn)氣道管腔效應(yīng)的影響。以敏感元件的平坦硅片一面直接感受介質(zhì)壓力，且傳感器設(shè)計(jì)為齊平式封裝，無引壓進(jìn)氣道的傳感器，其固有頻率約等于敏感元件的固有頻率。前述三種傳感器均采用了這一設(shè)計(jì)原則。

由于管腔效應(yīng)的影響太大，有時(shí)為了克服工藝難點(diǎn)，甚至不惜適當(dāng)加大膜片半徑以保證傳感器能齊平封裝。筆者用于某空氣動(dòng)力學(xué)研究及某化爆自由場測試的動(dòng)態(tài)壓力傳感器即采用了這種設(shè)計(jì)原則。其0～0.4MPa，……0～4MPa的多種動(dòng)壓傳感器，固有頻率在100～270kHz。用正弦波動(dòng)態(tài)實(shí)校，在5kHz范圍內(nèi)，幾乎無動(dòng)態(tài)附加誤差。圖1即為一只量程1 MPa的動(dòng)態(tài)壓力傳感器用激波管實(shí)驗(yàn)得出的幅頻特性曲線，其第一諧頻為170kHz，動(dòng)態(tài)誤差很小的可用帶寬在50kHz，上升時(shí)間為0.8μs。

圖1　幅頻特性曲線

對(duì)于有管腔存在的壓阻式壓力傳感器，在壓阻敏感元件固有頻率很高，封裝中又無充油波紋膜片隔離等增加柔度，降低頻率響應(yīng)特性的復(fù)雜因素存在時(shí)，管腔系統(tǒng)的諧振頻率即是傳感器的固有頻率。對(duì)于進(jìn)氣孔半徑為R，長為L，并有一容積相當(dāng)為V的T型引壓進(jìn)氣管腔的壓力傳感器，其管腔系統(tǒng)的自振頻率為：

　　　（2）

代入有關(guān)數(shù)據(jù)，不難求得高精度壓力傳感器的固有頻率為2.47 kHz處，而其敏感元件的固有頻率為20～80 kHz，足見進(jìn)氣管腔的影響之大。用正弦壓力發(fā)生器實(shí)校壓力傳感器，第一諧頻在2.44kHz處，與理論計(jì)算相符，由圖2所示的動(dòng)態(tài)實(shí)校幅頻特性曲線可見 ，該傳感器可用于800－1000Hz以下的低頻動(dòng)壓精密測試中。

對(duì)于封裝無法避免管腔，而又要求動(dòng)態(tài)頻響較高的傳感器，可以盡量采用直筒形引壓進(jìn)氣道，且越短越好。在敏感元件固有頻率高于管道自振頻率時(shí)，傳感器固有頻率由此直管諧振決定。諧振按口琴—笛子模式，其諧振頻率為：

圖2　正弦波動(dòng)態(tài)實(shí)校幅頻特性

　　（3）

水工模型專用脈動(dòng)壓力傳感器即是為適應(yīng)水介質(zhì)和水密封而采用了這一設(shè)計(jì)模式，其微型敏感元件的固有頻率≥200 kHz，而封裝成的傳感器的第一諧頻約為30 kHz，可用頻段0～10 kHz，已完全滿足水工模型試驗(yàn)中的動(dòng)壓頻譜分析。

3　結(jié)　論

獲得高動(dòng)態(tài)壓力測試性能的動(dòng)壓傳感器首先要有自己設(shè)計(jì)制造的利于封裝的高固有頻率壓力敏感元件，其次要在封裝成壓力傳感器時(shí)避免或盡量減小引壓進(jìn)氣管道。