高 峰，趙建立，李靜文

（南京盛業(yè)達電子有限公司，南京 211161）

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器利用SOI材料硅氧化物隔離的材料特性，實現(xiàn)了硅基壓力敏感電阻與基片襯底之間的純物理隔離，解決了常規(guī)PN結(jié)隔離的硅基壓力傳感器在寬溫區(qū)范圍內(nèi)（-55℃～+150℃）的兩端極限溫度下漏電流增加導致敏感元器件性能劣化，或由于環(huán)境干擾、電磁輻射等環(huán)境影響造成的傳感器精度、穩(wěn)定性降低或失效影響傳感器性能的關(guān)鍵問題，使其具有高精度、寬溫區(qū)、抗輻射、微型化、穩(wěn)定性好、無體硅閂效等特性，在工業(yè)過程控制、航空航天、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣泛應用[4-6]。

1 SOI壓阻式壓力傳感器的基本原理

壓阻式壓力傳感器的基本原理是利用硅的壓阻效應，將被測壓力的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻變化，然后通過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。當材料受到應力作用時，其電阻或電阻率發(fā)生明顯的變化的現(xiàn)象就叫做壓阻效應[7]。壓阻式壓力傳感器如圖1所示。

B，E間的電勢差UBE=0，電路無電壓輸出

B，E間的電勢差UBE≠0。根據(jù)此電路特性，將R1，R2，R3，R4制成為高精密半導體電阻應變片，利用其半導體壓阻效應，將壓力造成的機械變形轉(zhuǎn)換為電阻本身的阻值變化，進而改變電路中的電勢差UBE，以此來測量出壓力大小。

圖1 惠斯登電橋電路Fig.1 Wheatstone bridge circuit

由于壓力的原因，硅晶體的電阻發(fā)生變化，變化的大小與受到的壓力大小有關(guān)，同時與材料本身的壓阻系數(shù)有關(guān)。影響壓阻系數(shù)最主要的因素是環(huán)境溫度和擴散雜質(zhì)表面的濃度。半導體硅、鍺材料中的壓阻效應比金屬材料中壓阻效應要大的多。

2 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的工藝技術(shù)

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器，包括傳感器殼體、安裝于該殼體的壓力敏感元件、調(diào)理該壓力敏感元件輸出信號的信號調(diào)理電路和引出該調(diào)理電路輸出信號的輸出電纜。

關(guān)于SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的工藝技術(shù)，本文主要介紹SOI敏感壓力芯片MEMS制造工藝技術(shù)、寬溫區(qū)SOI壓力傳感器芯體的封裝工藝技術(shù)及基于ASIC的SOI寬溫區(qū)壓力傳感器智能化溫度補償技術(shù)研究，SOI寬溫區(qū)微型壓力智能傳感器的批量化生產(chǎn)工藝流程設(shè)計。

2.1 SOI敏感壓力芯片的MEMS制造工藝技術(shù)

核心敏感芯片是采用SOI硅晶圓以MEMS制作工藝技術(shù)制作生產(chǎn)。用SOI材料研制耐高溫壓阻力敏感芯片的目的就是通過SiO2絕緣層將力敏芯片的檢測電路層與硅基底隔離開來，避免了高溫下檢測電路與基底之間的漏電流的產(chǎn)生，提高力敏芯片的耐高溫特性。

隨著時代的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應用范圍更加廣泛，這也給無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全提出了更高的要求。當前無線網(wǎng)絡(luò)通信中采用的安全技術(shù)主要包括WPKI技術(shù)和IBC技術(shù)兩種。其中WPKI技術(shù)是在有線網(wǎng)絡(luò)PKI基礎(chǔ)上建立起來的，只對無線通信網(wǎng)絡(luò)中的無線環(huán)境部分進行了改進，所以WPKI技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境中的應用局限性較大。而BIC則結(jié)合了無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特點，是一項專門針對無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全技術(shù)。因此，未來無線網(wǎng)絡(luò)通信安全技術(shù)的發(fā)展也必將以IBC技術(shù)為主。

在SOI材料的頂層硅上制作硅敏感電阻元件，敏感電阻元件采用MEMS技術(shù)對應制作在硅壓阻效應區(qū)內(nèi)，電阻器件采用金屬薄膜連接并組成惠斯登電橋陣列；以MEMS微機械加工工藝技術(shù)采用的各向異性腐蝕方法，在SOI基片的背面制作出周邊固支的彈性膜片，并通過陽極鍵合工藝，將玻璃圓片與硅晶圓背面剛性連接，構(gòu)成壓力敏感芯片，實現(xiàn)耐高溫壓力敏感器件的設(shè)計制造。

2.2 寬溫區(qū)SOI壓力傳感器芯體的封裝工藝技術(shù)

本項目傳感器結(jié)構(gòu)采用隔離密封全硬封結(jié)構(gòu)。其特點是將敏感芯片裝配在金屬管座上并與外界感壓環(huán)境剛性隔離，采用半導體引線鍵合工藝使敏感芯片與管座電極連接，用波紋金屬膜片隔離敏感芯片與被測環(huán)境（介質(zhì)），通過充灌液傳遞被測介質(zhì)壓力到敏感芯片，完成敏感芯片對外界被測壓力的感測過程，同時敏感元件把感受的壓力利用芯片上的電阻器件根據(jù)壓阻效應在電流的激勵下，通過電橋?qū)毫π盘栟D(zhuǎn)變成電信號予以輸出，實現(xiàn)介質(zhì)壓力的測量。

通過該工藝結(jié)構(gòu)，避免了被測介質(zhì)與敏感元件的直接接觸，在提高傳感器穩(wěn)定性的同時提升其適應能力。

2.3 基于ASIC的SOI寬溫區(qū)壓力傳感器智能化溫度補償技術(shù)

在實際應用中，壓力傳感器會受到溫度的影響，導致溫度漂移和靈敏度漂移，它來源于半導體物理性質(zhì)對溫度的敏感性。國內(nèi)經(jīng)常使用硬件補償和軟件補償兩類方法對壓力傳感器進行溫度補償。采用厚膜集成電路數(shù)字溫度補償技術(shù)和非線性修正技術(shù)，對壓力傳感器進行零位修正和溫度補償。

針對SOI寬溫區(qū)壓力傳感器開展基于專用集成電路（ASIC）的智能化算法研究。通過在-50℃～+150℃寬溫度范圍內(nèi)測試SOI壓力傳感器壓力-輸出曲線，開展寬溫區(qū)溫度補償算法研究，利用商業(yè)化ASIC芯片實現(xiàn)SOI壓力傳感器的寬溫區(qū)溫度補償，實現(xiàn)智能化溫度補償及線性化輸出，如圖2所示。

圖2 基于ASIC的SOI寬溫區(qū)壓力傳感器智能化溫度補償技術(shù)Fig.2 SOI wide temperature region pressure sensor which based on ASIC temperature compensation technology

2.4 SOI寬溫區(qū)微型壓力智能傳感器的批量化生產(chǎn)工藝流程設(shè)計

基于MEMS的SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器，其制作過程包括前期核心敏感芯片的設(shè)計、核心敏感芯片的制備、敏感芯片選擇分析及MEMS加工篩選、寬溫區(qū)高精度的SOI傳感器芯體研制、研制滿足項目要求的寬溫區(qū)SOI傳感器產(chǎn)品、后期高精度SOI傳感器產(chǎn)品模塊實驗、系列化。

3 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)性能

3.1 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器主要由擴散硅壓力芯體、電路板、進壓頭、殼體、輸出接口五大部分組成。

3.1.1 壓力芯體

壓力芯體用于放大特定橋式傳感器和溫度校正傳感器信號。該設(shè)備提供數(shù)字傳感器偏移補償、靈敏度，由一個16位的溫度漂移和非線性RISC微控制器運行一個多項式校正算法。

圖3 壓力芯體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Pressure core internal structure

壓力芯體有3大模塊：放大模塊，控制模塊和輸出模塊。放大模塊里包含放大器、數(shù)據(jù)選擇器和AD轉(zhuǎn)換器，其主要功能是將MEMS電橋的毫伏信號放大以便處理；控制模塊包含信息存儲模塊、通信模塊和校準模塊，專門用來控制信號使其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并可以通過通信寫入數(shù)據(jù)；輸出模塊包含DA轉(zhuǎn)換器和PWM控制信號模塊，用來再將數(shù)字信號進行處理，然后將其轉(zhuǎn)化為工業(yè)標準信號輸出。

3.1.2 電路板

此電路的輸入信號為24 V直流電源、12 V直流電源和5 V直流電源。當采用24 V直流電源和12 V直流電源時，則用場效應管將電壓降至5 V左右給芯片供電；當采用5 V電源時，則只需要穩(wěn)壓管便可使電路正常工作。

此電路的輸出信號則采用了工業(yè)標準4～20 mA的輸出特性。利用圖4中三極管，利用芯片輸出一定的電壓使得三極管工作在放大區(qū)，再利用基極電阻控制基極電流，從而可得到4～20 mA的集電極電流，因為集電極電流的大小是電流的大小與三極管放大倍數(shù)的乘積。根據(jù)后端電路的處理，加一些元器件便可以實現(xiàn)1～5 V，0～5 V和0.5～4.5 V的輸出，滿足工業(yè)上各種客戶的需求。

圖4 電路原理Fig.4 Principle diagram of the circuit

3.1.3 進壓接頭

針對客戶需求。公司設(shè)計了4種進壓頭，各自標識不同的螺紋形狀和六方尺寸，具體如圖5所示。

圖5 進壓頭設(shè)計方案Fig.5 Design of inlet pressure head

3.1.4 殼體及輸出接口

根據(jù)市場需求，公司設(shè)計了2種輸出接頭：派克接頭和直接引線接頭，每種接頭可用于對應的設(shè)備，2種接頭對應的設(shè)計圖紙和連接方式如圖6所示。

圖6 兩種輸出接頭設(shè)計圖紙和連接方法Fig.6 Design drawings and connection method of output connector

3.2 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的性能指標

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的性能指標如表1所示。

表1 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的性能指標Tab.1 Index of SOI wide temperature range the micro intelligent pressure sensor

4 結(jié)語

本文針對常規(guī)PN結(jié)隔離的硅基壓力傳感器在寬溫區(qū)范圍內(nèi)（-55～+150℃）的兩端極限溫度下漏電流增加導致敏感元器件性能劣化，研發(fā)了一種基于MEMS的SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器。 該產(chǎn)品具有較寬的工作溫度（-50～150℃）、存儲溫度（-50～150℃）、高精度（綜合精度：0.1 級）、零點溫漂（±2%FS（Max））、靈敏度溫漂（±2%FS（Max））、穩(wěn)定性好（長期穩(wěn)定性：±0.2%FS/年）、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀等優(yōu)良特性。

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