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        半導(dǎo)體壓力傳感器

        2018-09-03 03:47:26秦慧嫻
        智富時(shí)代 2018年7期
        關(guān)鍵詞:集成化

        秦慧嫻

        【摘 要】微電子技術(shù)的應(yīng)用與影響在我們的日常生活中隨處可見。在本文里,簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽宋㈦娮蛹夹g(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,實(shí)際應(yīng)用,發(fā)展趨勢(shì)和展望。隨著IC制造業(yè)的迅速發(fā)展,硅膜片式壓力傳感器及集成化壓力傳感器收到青睞,對(duì)其開發(fā)研制相當(dāng)盛行。本文詳細(xì)介紹半導(dǎo)體壓力傳感器的原理與應(yīng)用,增進(jìn)對(duì)微電子技術(shù)的了解。

        【關(guān)鍵詞】微電子技術(shù);集成化;壓阻效應(yīng);RAM

        一、微電子技術(shù)及壓力傳感器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

        19世紀(jì)末20世紀(jì)初的物理學(xué)革命,為微電子技術(shù)的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體三個(gè)重要物理效應(yīng)——光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、整流效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),量子力學(xué)的建立和材料物理的發(fā)展,都起到了理論推動(dòng)作用。在半導(dǎo)體壓力傳感器中壓阻式是最普及的一種。最近開發(fā)研制出一種新型壓阻式壓力傳感器,由雙SOI(絕緣體上外延硅)結(jié)構(gòu)和4端子壓阻元件構(gòu)成如圖1所示。SOI結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是,用絕緣體覆蓋作為應(yīng)變片的單晶硅電阻器,可減小高溫區(qū)的特性劣化,再用切斷應(yīng)變片方式就能獲得提高溫度特性、提高靈敏度之成效。

        (一)集成電路的發(fā)展

        作為微電子技術(shù)的核心,集成電路(IC)經(jīng)歷了小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模階段如圖2-1,目前已進(jìn)入甚大規(guī)模階段,其集成度不斷提高、功耗延遲積(優(yōu)值)和特征尺寸不斷縮小、集成規(guī)模不斷增大。各方面的性能不斷優(yōu)化,價(jià)格卻在不斷降低——如此一來,產(chǎn)品的升級(jí)換代不僅導(dǎo)致性能品質(zhì)的提升,價(jià)格也變得越來越便宜,性價(jià)比不斷提高,在人類生活中也越來越受到歡迎,得到了廣泛的應(yīng)用。集成電路的制造工藝主要包括以下內(nèi)容。

        目前,我們已經(jīng)進(jìn)入納米時(shí)代。0.25微米的CMOS工藝技術(shù)已進(jìn)入大量生產(chǎn),以該項(xiàng)技術(shù)制作出來的256Mb的DRAM和600MHz的微處理器芯片上,每片上的集成的晶體管數(shù)已經(jīng)達(dá)到10~8-10~9數(shù)量級(jí);10nm的器件已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研制成功,相應(yīng)的柵氧化層只有1.0-2.0nm;90nm-32nm工藝已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn),晶體管本身寬度只有30nm-50nm.微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展高速、輻射面廣,極大地影響了社會(huì)的方方面面,已經(jīng)被列為是支柱產(chǎn)業(yè)之一【1】。

        二、半導(dǎo)體壓力傳感器的定義及類型

        (一)智能壓力傳感器的定義

        所謂智能壓力傳感器就是一種帶有微處理器(單片機(jī))的,兼有信息監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維判斷功能的壓力傳感器【2】。顯然,智能壓力傳感器具有較強(qiáng)的信息處理功能的能力,這主要是通過未處理器的程序來完成的,也就是說智能壓力傳感器是硬件電路和軟件程序結(jié)合的產(chǎn)物【3】。因此,智能壓力傳感器是既有獲得信息的能力,又有信息處理功能的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器具備學(xué)習(xí)、推理、感知及管理的功能。

        (二)智能壓力傳感器的類型

        智能壓力傳感器是微處理器和壓力傳感器的結(jié)合。因此,根據(jù)他們的實(shí)現(xiàn)途徑可分為:非集成化的智能壓力傳感器、集成化的智能壓力傳感器和混合型的智能壓力傳感器。非集成化的智能壓力傳感器是吧傳統(tǒng)的壓力傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合成一個(gè)整體,構(gòu)成一個(gè)智能壓力傳感器系統(tǒng)。這種非集成化的智能壓力傳感器實(shí)際上就是在傳統(tǒng)的壓力傳感器系統(tǒng)上增加了微處理器的連接。因此,這是一種實(shí)現(xiàn)智能壓力傳感器系統(tǒng)最快的途徑和方式。

        三、半導(dǎo)體壓力傳感器的原理

        (一)系統(tǒng)構(gòu)成

        本系統(tǒng)的所有器件有:微處理器AT89V51、放大器INA118P、LM158、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX187、通訊芯片MAX485、復(fù)位芯片X25045、點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊、數(shù)控電位器X9313及阻、容原件

        (二)壓力測(cè)試

        壓力是由壓力傳感器將測(cè)得的模擬信號(hào)送放大器INA118P放大處理,由LM158提供電源[5]。INA118P放大的信號(hào)無凋零作用,需要再經(jīng)過放大器LM158進(jìn)行調(diào)整。該信號(hào)通過MAX187轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),由AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        (三)溫度補(bǔ)償

        系統(tǒng)的溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償是由溫度測(cè)量芯片AD590直接測(cè)得并輸出模擬電壓,通過MAX187轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給AT89C51.進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        (四)數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)處理采用微處理器AT89C51。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片MAX187是輸入跟蹤、保持和逐步逼近寄存器構(gòu)成的電路,它將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)輸出。T/H不需要外部的保持電容。MAX187在10μs中變換0V至VREF范圍內(nèi)的輸入信號(hào),其中包含T/H的采集時(shí)間。MAX187的內(nèi)部基準(zhǔn)調(diào)整到1.096V,亦可以接受從+2.5V至VDD的外部基準(zhǔn)電壓。串行接口只需要三個(gè)數(shù)字線CS/SCLK和DOUT。

        四、微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和展望

        微電子作為一個(gè)非常有活力的領(lǐng)域,依然在不斷快速發(fā)展。一些技術(shù)已經(jīng)投入應(yīng)用,在社會(huì)各個(gè)方面為人類提供便利;而另一些技術(shù)還處于試驗(yàn)階段,有待科學(xué)家們的繼續(xù)研究。目前,微電子領(lǐng)域的前沿技術(shù)包括微電子制造工藝、微電子材料的研究、超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)以及MEMS技術(shù)等。微加工工藝是制造MEMS的主要手段,IC制造技術(shù)含(如光刻、薄膜淀積、注入擴(kuò)散、刻蝕等)、微機(jī)械加工技術(shù)(如犧牲層技術(shù)、各向異性刻蝕、雙面光刻以及軟光刻技術(shù)等)和特殊微加工技術(shù)。目前微電子的制造工藝采用光刻和刻蝕等微加工方法,將大的材料制造為小的結(jié)構(gòu)和器件,并與電路集成,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化。對(duì)半導(dǎo)體材料的研究也是微電子領(lǐng)域的熱門。由最原始的元素半導(dǎo)體(鍺、硅、硒、硼、銻、碲),到化合物半導(dǎo)體(砷化鎵、磷化錮、銻化錮、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等),乃至熱門的有機(jī)半導(dǎo)體和無定型半導(dǎo)體。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]蔣燕燕.微電子技術(shù)的現(xiàn)狀與未來展望

        [2]晏伯武,兆春 微電子技術(shù)發(fā)展與展望

        [3]張興,黃如,李曉彥微電子學(xué)概論(第二版)

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