一种微型传感信号谐振电路的研制

曹 艳

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

厚膜混合集成微型传感信号谐振电路的研制成功，能够使高精度小型化振动筒压力传感器所用谐振电路部分能够系列化、通用化和标准化，不仅能满足现有几十种已有大气数据计算机的量程的振动筒压力传感器的应用要求，还可广泛应用于各种新型飞机的大气数据传感器及使用环境相似的传感器，同时可以用于航天某型号导弹用振动筒压力传感器，并在商用支线飞机等民用航空FADEC（全权数字式发动机电子控制）系统、压力检测设备上具有广泛的推广和应用前景。

1 产品描述和分析

1.1 主要技术指标

产品的主要技术指标如表1所示。

表1 产品的主要技术指标

1.2 产品外形尺寸

产品外形尺寸见图1。

1.3 产品设计原理

根据以上的设计条件，确立了混合传感放大器的研制方案。整个电路由3部分组成，分别为选频放大电路、限幅放大电路和方波产生电路。

选频放大电路。给电路输入一个微小的正弦波信号，经RC电路进行滤波，通过运算放大器及外围电路构成的T型选频网络，对正弦输入信号进行选频放大，得到要求的正弦波信号输出到下一级。

限幅放大电路。另一路输入信号从产品11脚输入，经过放大后通过运算放大器和二极管组成的限幅电路进行限幅获得准方波，再经三极管进行放大处理，在电路输出端6脚获得驱动线圈所需的电压。

方波产生电路。从11脚输入的信号，经过运算放大电路进行限幅放大，而对另一路输入信号进行选频放大、滤波，再通过精密电压比较器获得同频率的方波信号，以满足电路输出方波频率范围在7～35 kHz的要求。

1.4 产品特点

（1）产品工作温度范围宽、精度高、性能稳定以及可靠性高；

（2）温度电压放大电路和谐振电路部分分开独立设计，减小了两者之间的相互干扰，使输出更加准确、稳定；

图1 产品外形尺寸

（3）双列直插，全金属密封封装结构，减少了外界的电磁干扰，提高了传感器的整体精度，且可插拔性能好、散热好、耐湿以及防盐雾；

（4）整体设计方案的电路简洁、工艺选择合理，封装结构可靠，保证了产品的性能稳定、可靠性高等特点；

（5）体积小（长×宽×高≤21 mm×18.5 mm×5.5 mm），重量轻，使用方便。

2 研制过程中主要解决的关键工艺技术

这种微型传感谐振电路的研制过程中主要解决的关键工艺技术问题，是产品的封装工艺和厚膜混合集成工艺。

2.1 金属封装工艺

产品采用14脚的双列直插式排列方式、平行缝焊封装工艺以及全金属封装结构的外壳。现有的平行封焊夹具更适合对体积较大的产品进行封装。由于该产品体积较小，在封装过程中产品的一个方向容易翘起，导致产品需要进行二次封装，且密封和水汽均无法满足要求。为此，设计了高精度的专用封装夹具，既便于操作，又满足了产品密封和水汽的要求，而且具有良好的电磁屏蔽效果，更有利于产品的批产化。

2.2 厚膜混合集成工艺

产品采用厚膜混合集成工艺。典型厚膜混合集成电路是以96%的AL2O3陶瓷基片作为线路的基板[1]。电容采用再流焊工艺，裸芯片粘接后进行金丝压焊，有效缩小了产品体积。由于产品的体积小、印刷导体线条密集、导带细、线间距小，因此增加了印刷难度。为了防止印刷时不同层间的错位，专门设计了几个印刷定位点，避免了用肉眼观察导体间相对位置造成的误差，保证了印刷时导体位置的准确性和不同层间导体衔接的良好性，减小了误差，同时提高了产品的可靠性。

3 产品工艺概况

电路采用厚膜混合集成电路集成工艺，电阻连同导带用平面厚膜印刷、烧结，激光调阻，保证电阻阻值的精度、稳定性和一致性。基片表面非焊区部分采用表面钝化保护；集成块采用裸芯片粘接后金丝压焊，电容采用再流焊技术，可靠性更高；封装结构采用标准壳体，全金属密封，引线镀金，表面镀镍，适于抗耐湿、防盐雾要求，同时保证屏蔽性，防止外界干扰影响产品精度与稳定性。

按照单位的通用工艺要求和产品的组装特点，设计产品的工艺工序为“PROTELL布图→制版→印刷→烘干→烧结→激光调阻→表面装配→测试→封装→筛选”。其中，关键工序包括厚膜印刷和金丝球焊。厚膜印刷要求操作人员严格按照产品图纸及相关工艺文件进行操作，需要产品图形（包括导体、电阻、介质、玻璃等）清晰、完整、无毛刺、漏瓷、污染、划伤、手印、错位、表面起毛以及表面发花等现象。焊接在混合集成电路中占有十分重要的地位，利用金丝球焊可增加焊点的强度，降低焊接的失效机率。实践证明，利用金丝球焊技术可以得到高可靠的混合集成电路。

产品制造过程中，严格按照质量保证大纲和各工序质量控制要求进行生产，各批次产品均达到了指标要求，送用户、检测机构测试均合格。

4 产品可靠性情况

4.1 实施依据

GJB450A—2004《装备可靠性工作通用要求》和GJB2438—2002《混合集成电路通用规范》。

4.2 可靠性分配与设计

4.2.1 可靠性预计

可靠性设计贯穿整个产品设计的始终。在线路设计方面、元器件选用方面进行综合考虑，简化线路，减少了元器件数量，并综合考虑了元器件性能的余量设计。根据GJB/Z299C—2006《电子设备可靠性预计手册》的相关规定，对产品的可靠性进行了理论计算和预计。

根据电路包含的电子元器件及膜电阻（集成电路5只、膜电阻26只、片电容13只、三极管7只、二极管1只）予以计算分析（其中N表示元器件个数），得到产品平均故障间隔时间为10.11万小时，产品的质量等级满足协议要求。

4.2.2 可靠性设计

对这种微型传感信号谐振电路的可靠性设计主要包括以下几个方面[2]：

（1）电路设计选用电路简洁、已成熟的功能电路；

（2）元器件方面，选用质量稳定、工作温度范围宽的元器件；

（3）热设计方面，产品本身无大电流，自壳体散热；

（4）元器件及壳体采用阻燃材料保证产品安全。

5 存在的主要问题及努力方向

在后续的生产过程中，需要加强生产组装过程中的工艺控制，优化筛选工装夹具，不断提高产品的合格率，力求为客户整机提供更稳定、更可靠的产品，按照低功耗、小型化、批产化和高可靠的设计原则，持续地满足客户在传感放大器方面不断提出的需求。

6 结 论

所述产品在国内处于领先地位，可替代美国Weston Aero公司的系列产品，目前主要为飞机高度、速度以及气象探测等传感器系统提供配套电路，有望推广到精密压力测量领域，具有广阔的应用前景。