MEMS和信號調(diào)理實現(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)合智能集成化信號調(diào)理技術(shù)設(shè)計了適合批量制造的小型化堅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)計了基于MEMS技術(shù)和智能化信號調(diào)理的擴(kuò)散硅壓力傳感器應(yīng)對汽車壓力系統(tǒng)的壓力檢測。

　　1 傳感器原理及封裝設(shè)計

　　為了將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號采用了應(yīng)變原理，將惠斯頓檢測電橋通過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，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)。

　　因為電阻的變化直接與應(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檢測單元的一部分無法獨立完成信號的轉(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壓力腔體和電極引線腔體。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傳感器的倍號智能調(diào)理設(shè)計

　　如圖2傳感器輸出電壓信號Vo=VB△R/R(R1=R2=R3=R4，△R1=△R2=△R3=△R4)，在理想狀態(tài)下其信號輸出是一個線性變化值。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)境溫度變化時輸出呈現(xiàn)變化，影響讀出精度。對圖2的電橋加入溫度對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，所以必需采用補償技術(shù)。圖5為一組實測得的未補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)的補償方法是在橋臂上串并聯(lián)電阻法補償，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)的辦法來實現(xiàn)。但是此法有很多的缺點和局限性，并且寬溫度區(qū)的補償后精度也僅為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輸出曲線

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

　　信號處理鏈路框圖，圖6所示。

　　圖6信號處理鏈路框圖

　　在溫度傳感器的輔助作用下通過信號轉(zhuǎn)換開關(guān)分時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放大，再經(jīng)過ADC量化傳感器的信號進(jìn)入數(shù)字處理器計算當(dāng)前溫度和壓力下的補償后壓力輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC輸出模擬信號。而溫度補償則可以通過通訊接口將參數(shù)寫入EEPROM供數(shù)字處理器計算時調(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小巧的殼體中。在寬溫度范圍內(nèi)實測校準(zhǔn)后的傳感器有效抑制了溫度變化對其產(chǎn)生的影響。如圖7所示的多只標(biāo)準(zhǔn)信號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，實現(xiàn)制造車用傳感器的高性價比的要求。

　　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

　　將傳感器與信號調(diào)理電路板封裝在一個直徑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)合下成為一個具備高性價比的實用化產(chǎn)品。是當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，值得重視其發(fā)展。