基于模型識別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器的應(yīng)用

0 　引　言

　　壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量輕，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。

　　高溫壓力傳感器是為了解決在高溫環(huán)境下對各種氣體、液體的壓力進(jìn)行測量。主要用于測量鍋爐、管道、高溫反應(yīng)容器內(nèi)的壓力、井下壓力和各種發(fā)動機(jī)腔體內(nèi)的壓力、高溫油品液位與檢測、油井測壓等領(lǐng)域。目前，研究比較多的高溫壓力傳感器主要有SOS ，SOI ，SiO2 ， Poly2Si 等半導(dǎo)體傳感器，還有濺射合金薄膜高溫壓力傳感器、高溫光纖壓力傳感器和高溫電容式壓力傳感器等。半導(dǎo)體電容式壓力傳感器相比壓阻式壓力傳感器其靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、功耗小，且只對壓力敏感，對應(yīng)力不敏感，因此，電容式壓力傳感器在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　1 　器件的基本組成及制作工藝

　　硅電容式壓力傳感器的敏感元件是半導(dǎo)體薄膜，它可以由單晶硅、多晶硅等利用半導(dǎo)體工藝制作而成。典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時，薄膜會發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補(bǔ)償功能的測量電路對輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。由于高溫壓力傳感器工作在高溫環(huán)境下，補(bǔ)償電路會受到環(huán)境溫度的影響，從而產(chǎn)生較大的誤差?；?strong>模型識別的高溫壓力傳感器，正是為了避免補(bǔ)償電路在高溫環(huán)境下工作產(chǎn)生較大誤差而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)方案是把傳感器件與放大電路分離，通過模型識別來得到所測環(huán)境的壓力。高溫工作區(qū)溫度可達(dá)350 ℃。傳感器件由鉑電阻和電容式壓力傳感器構(gòu)成。其MEMS 工藝如下：

　　高溫壓力傳感器由硅膜片、襯底、下電極和絕緣層構(gòu)成。其中下電極位于厚支撐的襯底上。電極上蒸鍍一層絕緣層。硅膜片則是利用各向異性腐蝕技術(shù)，在一片硅片上從正反面腐蝕形成的。上下電極的間隙由硅片的腐蝕深度決定。硅膜片和襯底利用鍵合技術(shù)鍵合在一起，形成具有一定穩(wěn)定性的硅膜片電容壓力傳感器［2］ 。由于鉑電阻耐高溫，且對溫度敏感，選用鉑電阻，既可以當(dāng)普通電阻使用，又可以作為溫度傳感器用以探測被測環(huán)境的溫度。金屬鉑電阻和硅膜片的參數(shù)為：0 ℃時鉑電阻值為1 000Ω;電阻率為1. 052 631 6 ×10 - 5Ω·cm;密度為21 440 kg/ m3 ;比熱為132. 51 J/ （kg·K） 、熔斷溫度為1 769 ℃，故鉑電阻可加工為寬度為0. 02 mm;厚度為0. 2μm;總長度為3 800μm，制作成鋸齒狀，可在幅值為10 V 的階躍信號下正常工作。電容式壓力傳感器的上下電極的間隙為3μm、圓形平板電容上下電極的半徑為73μm、其電容值為50 pF。具體工藝流程圖如圖1所示。

　　2 　基于識別技術(shù)的模型及其仿真

　　對于一個系統(tǒng)，其方程式為

　　UO （ s） = G（ s） Ui （ s） ，

　　其中　UO （ s） 和Ui （ s） 分別為輸出和輸入信號，當(dāng)輸出、輸入信號及系統(tǒng)的階數(shù)已知，可以通過計(jì)算機(jī)按一定的準(zhǔn)則來識別G （ s） 的模型參數(shù)，為模型識別。本文主要闡述應(yīng)用模型識別的方法來確定處于高溫環(huán)境下的電容式壓力傳感器的電容值。

　　2. 1 　電路模型

　　基本電路是由一個金屬鉑電阻和一個電阻式高溫壓力傳感器構(gòu)成（如圖2） 。

　　金屬鉑電阻對溫度變化敏感，若選用零度時電阻值為1 000Ω、溫度系數(shù)為3 851 ×10 - 6/ ℃的鉑電阻，其溫度變化范圍從- 50～350 ℃時，相應(yīng)的電阻從803. 07～2 296. 73Ω。由電阻的變化可測得環(huán)境的溫度。壓力傳感器在不同壓力下有不同的電容值，因此，在同一溫度下，輸入同一交流電壓信號時，其輸出信號不同。

　　2. 2 　系統(tǒng)在時域范圍的算法

　　圖2 電路所示的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

　　式中　UO 為輸出信號; Ui 為輸入信號; R 為電阻;C 為電容; t 為時間。

　　利用MATLAB 繪制單位階躍響應(yīng)曲線如圖3。

　　從圖3 中可看出，該系統(tǒng)穩(wěn)定、無振動。響應(yīng)曲線的斜率為：

　　對式（2） 進(jìn)行變換得

　　從式（3） 得，以lg［1 - UO （ t ） ］為縱坐標(biāo)， t 為橫坐標(biāo)，可得出通過原點(diǎn)直線，從直線的斜率可求得常數(shù)RC 的值，已知R 則可得出C ，從而得出壓力。

　　2. 3 　模型識別

　　基于上述思想，若已知輸入、輸出信號， 可通過曲線擬合及線性回歸法得出RC。對式（3） 進(jìn)行擬合，在擬合過程中， 加入一定的白噪聲。若R = 1000 Ω，電容C = 50 p F ，則擬合曲線如圖4 所示。

　　擬合參數(shù)最大時為5. 037 ×10 - 8 ，最大相對誤差為0. 78 %。當(dāng)溫度變化時，金屬鉑電阻值發(fā)生變化，在不同的溫度下擬合的電容值和溫度的關(guān)系如表1 所示（加入1 %的白噪聲） 。

　　從表1 可見，擬合的電容誤差小于1 %。由此可見，在不同的時刻測得UO （ t） ，通過曲線擬合得出參數(shù)RC。再給電路加小信號直流電源，測出R 值，即求得C ，通過C 值則可知被測環(huán)境的壓力。圖5為350 ℃時，不同的壓力所對應(yīng)的電容的理論值和實(shí)驗(yàn)值，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2） 可得，在測壓的過程中，利用模型識別的方法，誤差較小，其測壓誤差小于2 %。

　　3 　結(jié)束語

　　基于模型識別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器電路簡單、工藝成本較低、體積小、可批量生產(chǎn)、準(zhǔn)確度高。該傳感器避免了電阻式高溫壓力傳感器的自補(bǔ)償電路在高溫環(huán)境下工作時熱靈敏度漂移引起的誤差，也避免了其它電容式高溫壓力傳感器非線性補(bǔ)償電路在高溫環(huán)境下工作。該傳感器適合在各種高溫環(huán)境下測量氣體或液體的壓力。