1、研制背景

隨著超低溫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，超導(dǎo)、低溫燃料火箭、氫能、原子能技術(shù)等需要各種用于超低溫環(huán)境的壓力傳感器，以便監(jiān)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(jīng)在運載火箭制動、航空航天發(fā)動機上得到了應(yīng)用，但液氫的超低溫、高泄漏、易爆等性能，使其應(yīng)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(guān)配套監(jiān)測設(shè)備的缺乏，開發(fā)能在超低溫環(huán)境下安全可靠的壓力傳感器已經(jīng)刻不容緩，這在國內(nèi)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(zhì)，而且-200℃以下溫度產(chǎn)品對我國實行禁運，因此我國液態(tài)航天發(fā)動機的燃料壓力測量，以及超低溫冷卻系統(tǒng)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(fā)展提供配套保障具有重要意義。

2、項目研制目標(biāo)

2.1 本項目產(chǎn)品研制目標(biāo)

澤天傳感采用離子束濺射和刻蝕技術(shù)，通過對超低溫彈性材料研究、超低溫絕緣薄膜制造技術(shù)、超低溫薄膜溫度電阻傳感器研究、無引線封裝技術(shù)研究、溫度誤差數(shù)字補償技術(shù)、超低溫壓力傳感器靜態(tài)性能校準(zhǔn)方法和裝置研究等關(guān)鍵技術(shù)和工藝進(jìn)行研究攻關(guān)，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(shù)封鎖，為我國武器裝備的發(fā)展和配套提供技術(shù)保障。

2.2 技術(shù)平臺建設(shè)

通過本項目的實施，解決超低溫薄膜壓力傳感器設(shè)計、制造和試驗中的關(guān)鍵技術(shù)，固化工藝形。提供不同測量范圍、不同應(yīng)用環(huán)境要求的高性能、高質(zhì)量的系列化超低溫壓力傳感器產(chǎn)品，滿足用戶應(yīng)用需求。

1、建設(shè)設(shè)計技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)、封裝設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、可靠性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計工藝參數(shù)和計算方法。

2、建設(shè)制造工藝技術(shù)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(yīng)力消除、深冷強化處理、焊接等工藝的方法、手段和規(guī)范，為批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。建立完善的工藝體系和規(guī)范文件，確保研制產(chǎn)品的成品率、質(zhì)量等級和穩(wěn)定供貨等。

3、建設(shè)檢測技術(shù)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(huán)境試驗、可靠性試驗的有效方法、試驗程序和試驗設(shè)備設(shè)施，創(chuàng)建超低溫壓力傳感器的試驗、檢測技術(shù)平臺。

2）專題研究內(nèi)容

超低溫彈性材料研究   常溫應(yīng)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(huán)境的彈性材料選材、結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、處理工藝等。超低溫絕緣薄膜制造技術(shù)  設(shè)計3000MΩ的單層SiO2絕緣薄膜，應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計研究

針對超低溫工作環(huán)境下可能發(fā)生的結(jié)冰、吸潮問題，在借鑒國外超低溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展傳感器結(jié)構(gòu)研究，解決相關(guān)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(dá)到無法使用的程度（通常高達(dá)20%以上），必須通過工作在室溫環(huán)境的電路進(jìn)行補償。補償溫度不能參考燃料溫度，更不能參考室溫，應(yīng)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(shù)途徑

4.1 國內(nèi)外技術(shù)途徑對比分析

4.1.1 國外主要技術(shù)途徑

國外目前商品化的超低溫壓力傳感器主要有半導(dǎo)體壓阻式傳感器，采用電介質(zhì)絕緣硅疊硅原理制造而成?？蓽y量-195.5℃的超低溫壓力，測量線性和重復(fù)性可達(dá)到0.1%，滿量程輸出高達(dá)100mV。但是，半導(dǎo)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(zhì)，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(jié)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(dǎo)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(zhǔn)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(yōu)良的技術(shù)性能和耐惡劣環(huán)境能力引起了世界各國的重視，在國內(nèi)外軍事裝備中得到廣泛應(yīng)用，是超低溫壓力傳感器的重要發(fā)展方向。國外生產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)壓力，性能優(yōu)良，但是不能測量腐蝕性和電離性介質(zhì)。

4.1.2 國內(nèi)主要技術(shù)途徑

目前國內(nèi)僅有些關(guān)于低溫電阻應(yīng)變片的研究，并無相關(guān)超低溫壓力傳感器成熟制造與應(yīng)用的報道。濺射薄膜壓力傳感器相對電阻應(yīng)變式壓力傳感器，其通過薄膜技術(shù)代替膠粘技術(shù)，消除了膠的影響，沒有蠕變和老化現(xiàn)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(jìn)薄膜壓力傳感器的推廣與應(yīng)用，并逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。同時，縮短我國壓力傳感器與國外水平的差距，促進(jìn)我國壓力傳感器的整體水平的提高。

4.2 產(chǎn)品研制方案及技術(shù)途徑

總體方案：低溫傳感器和電路盒設(shè)計成分體式結(jié)構(gòu)，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(huán)境，工作溫度-50℃～125℃。為了避免低溫傳感器芯片表面空氣結(jié)凝，設(shè)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(chǎn)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(huán)境大氣壓變化引起的絕壓測量誤差。

4.2.1 產(chǎn)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(chǎn)生變形，采用離子束濺射和刻蝕技術(shù)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(fā)生變化, 電橋輸出與壓力成比例的電信號。

4.2.2 產(chǎn)品設(shè)計

4.2.2.1 參數(shù)設(shè)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(xì)組織質(zhì)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(dá)-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(yīng)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(wěn)定性，其大小與彈性模量溫度系數(shù)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?shù)?.01%/℃以內(nèi)。

4.2.2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計   傳感器部分設(shè)計成不銹鋼一體化密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無可動部件，輸出采用超低溫耐寒電纜。

2）工藝設(shè)計   采用奧氏體低溫鋼鉻鎳不銹耐酸鋼作為本項目產(chǎn)品結(jié)構(gòu)用材料，其低溫韌性、耐蝕性和工藝性均較好，加工遵循相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行結(jié)構(gòu)鋼穩(wěn)定性處理。

4.3.3 測試技術(shù)平臺建設(shè)內(nèi)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(shù)平臺，包括技術(shù)性能試驗、基本環(huán)境試驗和可靠性試驗的試驗方法、試驗環(huán)境、試驗設(shè)備設(shè)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(huán)境的彈性材料選用奧氏體沉淀硬化耐蝕不銹鋼，需要進(jìn)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(shù)

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(jié)合力和穩(wěn)定性。難熔金屬原子的移動性低，薄膜淀積時形成的所有結(jié)構(gòu)缺陷都能保留下來，在深低溫或很高的溫度范圍內(nèi)也不可能發(fā)生變化，穩(wěn)定性能高。

4.4.3 溫度誤差數(shù)字補償技術(shù)

采用高集成度、高性能的傳感器專用信號數(shù)字化處理芯片和少量外圍元件組成信號放大、補償和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字補償，對靈敏度僅為0.5mv/V的微弱差分信號仍能精確穩(wěn)定的進(jìn)行放大處理，芯片工作溫度達(dá)到-55℃～125℃。通過人機對話軟件通信界面我們改變相關(guān)校準(zhǔn)參數(shù)，可獲得最能體現(xiàn)傳感器自身特性的數(shù)字量。然后再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換單元DAC將經(jīng)過校準(zhǔn)調(diào)理的數(shù)字量轉(zhuǎn)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(shè)置，得到所需要的1～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出。

4.4.4 超低溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

超低溫薄膜壓力傳感器在超低溫環(huán)境下使用時會發(fā)生結(jié)冰、吸潮的情況從而導(dǎo)致產(chǎn)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(chǎn)品內(nèi)部有大氣冷凝；出線上結(jié)冰等，可借鑒國外的超低溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)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(wěn)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(yù)留的真空封孔進(jìn)行真空焊接，保證芯片內(nèi)部為真空，把外殼焊接完畢后，進(jìn)行電纜引線，再對產(chǎn)品內(nèi)部整體進(jìn)行低溫膠進(jìn)行灌封，避免水氣侵入芯片和接頭部分，產(chǎn)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(jié)冰而導(dǎo)致的絕緣差等情況，電纜采用的是超低溫耐寒電纜，內(nèi)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(dǎo)致的產(chǎn)品失效事故。

5、關(guān)鍵技術(shù)/技術(shù)難點分析及解決措施

5.1 關(guān)鍵技術(shù)/技術(shù)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(yīng)用情況下，內(nèi)外存在巨大的溫度梯度，此時在內(nèi)外溫度不平衡狀態(tài)下的輸出存在很大的誤差，必須通過電路進(jìn)行補償。因此需要薄膜電阻低溫傳感器，以便快速、準(zhǔn)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(shù)

低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)的金絲引線方式會帶來不可預(yù)計的可靠性問題。而特種玻璃在低溫環(huán)境下性能穩(wěn)定、可靠性高。摻Pt、Cr合金粉末的玻璃粉可導(dǎo)電，可實現(xiàn)惠斯登電橋的無引線導(dǎo)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(tài)性能校準(zhǔn)方法和裝置研究

由于傳感器工作時是處的環(huán)境，低溫介質(zhì)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(biāo)產(chǎn)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(zhì)來制作低溫環(huán)境。 需要研究一種安全的校準(zhǔn)裝置。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處。