MEMS和信號(hào)調(diào)理實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散硅壓力傳感器

文中介紹通過采用MEMS(micro electro mechanical systems)技術(shù)制造的硅壓阻力敏元件結(jié)合智能集成化信號(hào)調(diào)理技術(shù)設(shè)計(jì)了適合批量制造的小型化堅(jiān)固封裝的通用汽車壓力傳感器。通過智能調(diào)理技術(shù)將傳感器的零位和滿度進(jìn)行溫度校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了寬溫度工作范圍內(nèi)的高精度測量，并且適合于批量制造。

　　引言

　　美國汽車傳感器權(quán)威弗萊明在2000年的汽車電子技術(shù)綜述就指出了MEMS技術(shù)在汽車傳感器領(lǐng)域的美好前景。設(shè)計(jì)了基于MEMS技術(shù)和智能化信號(hào)調(diào)理的擴(kuò)散硅壓力傳感器應(yīng)對(duì)汽車壓力系統(tǒng)的壓力檢測。

　　1 傳感器原理及封裝設(shè)計(jì)

　　為了將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)采用了應(yīng)變?cè)恚瑢⒒菟诡D檢測電橋通過MEMS技術(shù)制作在單晶硅片上。使得單晶硅片成為一個(gè)集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換為一體的敏感元件。如圖1所示。

　　圖1敏感元件

　　當(dāng)硅芯片受到外界的應(yīng)力作用時(shí)，硅應(yīng)變電橋的橋臂電阻將產(chǎn)生變化，一般都為惠斯頓電橋檢測模式。如圖2所示。

　　圖2惠斯頓電橋

　　其輸出電壓表示為vo=KAR/R(Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4)。

　　因?yàn)殡娮璧淖兓苯优c應(yīng)力P有關(guān)，則：

　　式中：Vo為輸出電壓，mV;S為靈敏度，mV/V/Pa;P為外力或應(yīng)力，Pa;VB為橋壓，VOS為零位輸出，mV.

　　單一的硅片芯片只能作為一個(gè)檢測單元的一部分無法獨(dú)立完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測的能力。將圖2中的硅片芯片與PYREX玻璃環(huán)靜電封接在一起。

　　PYREX玻璃環(huán)作為硅芯片的力學(xué)固定支撐彈性敏感元件并且使硅芯片與封裝絕緣，而PYREX玻璃環(huán)的孔恰好成為了傳感器的參考?jí)毫η惑w和電極引線腔體。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3敏感元件封裝

　　如圖3的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進(jìn)壓的腔道后成為一個(gè)可安裝的壓力測量前端，見圖4。

　　圖4可安裝的壓力測量前端

　　此封裝技術(shù)可以承載至少15 MPa的壓力，若經(jīng)特殊處理可承載100 MPa的壓力。2傳感器的倍號(hào)智能調(diào)理設(shè)計(jì)

　　如圖2傳感器輸出電壓信號(hào)Vo=VB△R/R(R1=R2=R3=R4，△R1=△R2=△R3=△R4)，在理想狀態(tài)下其信號(hào)輸出是一個(gè)線性變化值。但是單晶硅材料的傳感器屬于半導(dǎo)體傳感器其受溫度的影響比較大。這使得傳感器在環(huán)境溫度變化時(shí)輸出呈現(xiàn)變化，影響讀出精度。對(duì)圖2的電橋加入溫度對(duì)電橋的影響得出下式：

　　則

　　理想狀態(tài)下若：

　　但是在汽車應(yīng)用環(huán)境中溫度的影響很大，所以必需采用補(bǔ)償技術(shù)。圖5為一組實(shí)測得的未補(bǔ)償過的傳感器的寬溫度范圍溫度壓力曲線圖。顯而易見，在汽車常用的工作溫區(qū)，溫度引入的讀出誤差達(dá)到了10%左右，這顯然是不允許的。傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法是在橋臂上串并聯(lián)電阻法補(bǔ)償，為提升工作效率采用激光修調(diào)預(yù)先制作在陶瓷基板上的厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)的辦法來實(shí)現(xiàn)。但是此法有很多的缺點(diǎn)和局限性，并且寬溫度區(qū)的補(bǔ)償后精度也僅為2%～3%，達(dá)不到汽車測壓的要求。

　　圖5 寬溫度范圍下壓力信號(hào)輸出曲線

　　通過采用數(shù)字化的信號(hào)處理將傳感器的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，并且植入模型算法將輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)補(bǔ)償?shù)揭欢ǖ木确秶鷥?nèi)，是當(dāng)代最新的傳感器信號(hào)調(diào)理技術(shù)。

　　信號(hào)處理鏈路框圖，圖6所示。

　　圖6信號(hào)處理鏈路框圖

　　在溫度傳感器的輔助作用下通過信號(hào)轉(zhuǎn)換開關(guān)分時(shí)讀取壓力與溫度的數(shù)值，通過可編程增益放大器將微弱信號(hào)放大，再經(jīng)過ADC量化傳感器的信號(hào)進(jìn)入數(shù)字處理器計(jì)算當(dāng)前溫度和壓力下的補(bǔ)償后壓力輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC輸出模擬信號(hào)。而溫度補(bǔ)償則可以通過通訊接口將參數(shù)寫入EEPROM供數(shù)字處理器計(jì)算時(shí)調(diào)用。如此多的功能部件均可集成制作在一塊單一芯片上，使得ASIC電路很容易和MEMS技術(shù)制作的壓力敏感芯片封裝在一個(gè)小巧的殼體中。在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)測校準(zhǔn)后的傳感器有效抑制了溫度變化對(duì)其產(chǎn)生的影響。如圖7所示的多只標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出的傳感器寬溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線：不難看出，在寬溫度工作環(huán)境下采用此法校準(zhǔn)的傳感器的讀出溫度誤差約為1%一2%FS，達(dá)到寬溫度的高精度測量要求，且通過多通道的通訊接口進(jìn)行校準(zhǔn)的方法與批量制造技術(shù)兼容，實(shí)現(xiàn)制造車用傳感器的高性價(jià)比的要求。

　　圖7多傳感器寬溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線

　　3綜合封裝與結(jié)論

　　將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路板封裝在一個(gè)直徑23mm高27.5mm的不銹鋼金屬殼體內(nèi)并且在傳感器的一端使用接插件的方式作為信號(hào)連接，方便測試及維護(hù)。總體封裝后如圖8所示。

　　圖8總體封裝外觀圖

　　該MEMS硅壓阻汽車壓力傳感器在MEMS技術(shù)、封裝技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合下成為一個(gè)具備高性價(jià)比的實(shí)用化產(chǎn)品。是當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，值得重視其發(fā)展。