基于模型識(shí)別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器

摘　要: 高溫壓力傳感器應(yīng)用在很多領(lǐng)域,由于高溫將使放大電路工作失效,因而采用將放大電路與傳感器件分離的設(shè)計(jì)方案是解決高溫測(cè)量的方法之一。介紹一種將放大電路與傳感器件分離的基于模型識(shí)別技術(shù)的微型電容式壓力傳感器。傳感器件由MEMS 工藝來(lái)實(shí)現(xiàn),信號(hào)激勵(lì)與信號(hào)處理由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。

對(duì)電路的工作過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn),并給出了微型高溫壓力傳感器的MEMS 工藝設(shè)計(jì)流程。

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(duì)各種氣體、液體的壓力進(jìn)行測(cè)量。主要用于測(cè)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(dòng)機(jī)腔體內(nèi)的壓力、高溫油品液位與檢測(cè)、油井測(cè)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(duì)壓力敏感,對(duì)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(shí),薄膜會(huì)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(cè)量電路對(duì)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(huì)受到環(huán)境溫度的影響,從而產(chǎn)生較大的誤差?；谀Ｐ妥R(shí)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(guò)模型識(shí)別來(lái)得到所測(cè)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(duì)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(cè)被測(cè)環(huán)境的溫度。金屬鉑電阻和硅膜片的參數(shù)為:0 ℃時(shí)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(zhǎng)度為3 800μm,制作成鋸齒狀,可在幅值為10 V 的階躍信號(hào)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(shí)別技術(shù)的模型及其仿真

對(duì)于一個(gè)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(hào),當(dāng)輸出、輸入信號(hào)及系統(tǒng)的階數(shù)已知,可以通過(guò)計(jì)算機(jī)按一定的準(zhǔn)則來(lái)識(shí)別G ( s) 的模型參數(shù),為模型識(shí)別。本文主要闡述應(yīng)用模型識(shí)別的方法來(lái)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(gè)金屬鉑電阻和一個(gè)電阻式高溫壓力傳感器構(gòu)成(如圖2) 。

金屬鉑電阻對(duì)溫度變化敏感,若選用零度時(shí)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(shí),相應(yīng)的電阻從803. 07～2 296. 73Ω。由電阻的變化可測(cè)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(hào)時(shí),其輸出信號(hào)不同。

2. 2 　系統(tǒng)在時(shí)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(hào); Ui 為輸入信號(hào); R 為電阻;C 為電容; t 為時(shí)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(wú)振動(dòng)。響應(yīng)曲線的斜率為：

對(duì)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(guò)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(shí)別

基于上述思想,若已知輸入、輸出信號(hào), 可通過(guò)曲線擬合及線性回歸法得出RC。對(duì)式(3) 進(jìn)行擬合,在擬合過(guò)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(shí)為5. 037 ×10 - 8 ,最大相對(duì)誤差為0. 78 %。當(dāng)溫度變化時(shí),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(shí)刻測(cè)得UO ( t) ,通過(guò)曲線擬合得出參數(shù)RC。再給電路加小信號(hào)直流電源,測(cè)出R 值,即求得C ,通過(guò)C 值則可知被測(cè)環(huán)境的壓力。圖5為350 ℃時(shí),不同的壓力所對(duì)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(cè)壓的過(guò)程中,利用模型識(shí)別的方法,誤差較小,其測(cè)壓誤差小于2 %。

3 　結(jié)束語(yǔ)

基于模型識(shí)別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器電路簡(jiǎn)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(shí)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(cè)量氣體或液體的壓力。