卞麗情

（廣州應用科技學院，廣州 511370）

0 引言

傳感器是現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展進程中最具有代表性的成就之一，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)地位相同。傳感器應用范圍廣泛，幾乎可以應用在所有領(lǐng)域和行業(yè)，如在航空航天領(lǐng)域，加速度傳感器、陀螺儀等被用于慣性導航、空間姿態(tài)測定；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，生物傳感器、流體傳感器等被用于臨床化驗、病理診斷；在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，溫濕度傳感器、氣體傳感器等用于監(jiān)測周圍環(huán)境的變化情況，判斷是否發(fā)生污染或者惡劣天氣。為滿足更為精細化的監(jiān)測工作要求，傳感器逐漸向著更為智能化、自動化和微型化方向發(fā)展。該技術(shù)主要有三大部分組成，即微電路、微電機、微探測器。其中微探測器，也就是微傳感器，是微型化發(fā)展進程中最常應用的領(lǐng)域，其特征是敏感結(jié)構(gòu)的尺寸非常微小，尺寸僅在在μm級或者亞μm級，相較于與一般傳感器，體積只有幾十分之一甚至幾百分之一[1]。基于微傳感器用途不同，類型也不同，如電容式MEMS差壓壓力傳感器、磁場測量微傳感器、霍爾式磁性液體微壓差傳感器等等?；诖耍狙芯窟x取一種常用的自動化壓力測量傳感器作為對象，進行面向微機械電子技術(shù)的自動化測量傳感器設(shè)計研究。該設(shè)計分為兩部分，即理論設(shè)計和應用測試部分。前者主要包含敏感膜片設(shè)計、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計、信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、傳感器接口電路設(shè)計以及工作程序設(shè)計等幾個模塊。后者按照前者設(shè)計方案進行實體傳感器制作，并測試使用效果是否達到預期，判斷是否能夠投入使用。通過本研究以期為微傳感器生產(chǎn)與制造提供參考，促進微機械電子技術(shù)的應用和發(fā)展。

1 面向微機械電子技術(shù)的微傳感器設(shè)計方案

微機械電子技術(shù)是現(xiàn)代科學技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的典型代表，即在保有部件功能的基礎(chǔ)上，將部件縮小化，并能夠集成封裝，嵌入進其他設(shè)備當中，作為測量設(shè)備的身份存在，用于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。根據(jù)所應有場合，微機械電子系統(tǒng)當中的微傳感器類型不同，本研究以壓力傳感器為對象，進行設(shè)計研究。壓力傳感器是基于壓阻效應并結(jié)合歐姆定律來估算壓力值的。當外界給予半導體材料（敏感膜片）一定壓力時，該材料會發(fā)生相應的應變，而應變會帶動電阻同時發(fā)生變化，這時電橋失去平衡，就會即可輸出相應電壓值，然后再利用歐姆定律就可以換算出實際壓力值[2]。

電阻變化數(shù)學公式表示如下：

當半導體材料（敏感膜片）未受到力的影響前，4個電橋一直處于平衡狀態(tài)，這時的輸出電壓=0。其公式表示如下：

式中，R1、R2、R3、R4代表惠斯頓電橋4個橋臂的電壓值。

而外界給予半導體材料（敏感膜片）一定壓力時，與之相連的電橋?qū)⑹テ胶?，這時電壓輸出表示公式：

當R1、R2、R3、R4都等于相同一個值時，可以簡化為：

式中，Vi為供電電壓。

在設(shè)計前，了解微型壓力傳感器的結(jié)構(gòu)組成是十分必要的，即敏感膜片設(shè)計、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計、信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、傳感器接口電路設(shè)計、傳感器工作程序設(shè)計?；谖⑿蛪毫鞲衅鹘M成結(jié)構(gòu)，將設(shè)計分為以下幾個部分，即敏感膜片設(shè)計、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計、信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、傳感器接口電路設(shè)計以及工作程序設(shè)計。下面對這些設(shè)計模塊進行具體分析。

1.1 敏感膜片設(shè)計

敏感膜片是自動化測量傳感器中最關(guān)鍵的組成部件，能直接感受被測量，是外界力的唯一接觸者，也是電壓輸出的根源[3]。敏感膜片，實際上就是一種彈性薄膜，具有很好的應變能力。該膜片的設(shè)計方法主要有四種，即硅微加工技術(shù)、鍵合技術(shù)、LIGA技術(shù)、準分子激光技術(shù)。在這里，選擇硅微加工技術(shù)中的MEMS刻蝕工藝進行敏感膜片設(shè)計，具體過程如下：

步驟1：選擇敏感膜片的襯底，也就是敏感元件的承載部分。在這里選擇單晶硅作為敏感膜片的襯底。

步驟2：單晶硅處理。敏感膜片的制作需要確保單晶硅片無任何損傷，需要進行打磨和拋光，之后還需要進行清洗，去除附著在表面的雜質(zhì)。之后，等待刻蝕。

步驟3：刻蝕有源標記，也就是制備對準標記與劃片框；

步驟4：沉積掩蔽層，也就是在單晶硅片上覆蓋一層保護膜；

步驟5：開壓敏電阻與歐姆接觸區(qū)，也就是在硅片背面去掉部分硅，形成腔體；

步驟6：接觸區(qū)注入離子，形成壓敏電阻條；

步驟7：標準清洗單晶硅片；

步驟8：沉積一層SiO2，作為隔離層；

步驟9：采用磁控濺射技術(shù)在玻璃片上濺射出Ti-Pt-Au，形成電極板；

步驟10：光刻出電極孔區(qū)和引線區(qū)圖形；

步驟11：降低單晶硅片的厚度；

步驟12：將硅片與玻璃鍵合在一起；

步驟13：封裝。為保證敏感芯片不受外界環(huán)境的侵蝕，保證其靈敏度和準確度，需要利用隔離膜片將敏感膜片與被測介質(zhì)分隔開來，以免受污染和受損。

1.2 轉(zhuǎn)換元件設(shè)計

本研究中的自動化測量傳感器為微型壓力傳感器，其測量原理是基于壓阻效應，因此壓敏電阻是傳感器的轉(zhuǎn)換元件。壓敏電阻是將敏感膜片感受到應變力轉(zhuǎn)換為電阻值，進而結(jié)合給出的供電電壓，轉(zhuǎn)換為電壓的電信號，因此壓敏電阻設(shè)計至關(guān)重要[4]。壓敏電阻設(shè)計時需要注意以下幾點，即摻雜必須要保持一致性；電橋要設(shè)計成開環(huán)形式；摻雜類型和摻雜濃度的選擇。

1.3 信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的作用是進行信號放大調(diào)制和濾波，提高信號質(zhì)量[5]。圖1為自動化測量傳感器設(shè)計的信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路。

圖1 自動化測量傳感器的信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計圖

1.4 傳感器接口電路設(shè)計

所設(shè)計的自動化測量傳感器主要為微機械電子系統(tǒng)的一部分，因此傳感器必然需要與外部其它器件進行連接使用，因此傳感器接口設(shè)計是否合理，直接到傳感器采集到的數(shù)據(jù)是否能夠被利用[6]。圖2為所設(shè)計傳感器與外界設(shè)備的接口電路圖。

圖2 傳感器接口電路設(shè)計圖

傳感器接口，也被稱為管腳，它是電路內(nèi)部與外圍設(shè)備連接的接口，所有的引腳就是這傳感器的接口。在圖3中，傳感器管腳有14個，每個管腳所起到的功能各不相同。表1為傳感器各個接口電路的管腳功能。工作提供邏輯指導。傳感器工作程序，即傳感器采集數(shù)據(jù)的過程。采集程序步驟如下：

表1 傳感器各個接口電路管腳功能表

步驟1：初始化敏感芯片；

步驟2：初始化各個電路；

步驟3：等待采集命令；

步驟4：判斷采集命令是否到達？若到達，則進入下一步；否則，進入低功耗狀態(tài)，并回到上一步驟；

步驟5：傳感器感知被測量量；

步驟6：利用轉(zhuǎn)換元件將測量量轉(zhuǎn)換為電信號；

步驟7：利用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路將電信號進行放大以及濾波處理；濾波傳感器完成采集任務后，十分重要的環(huán)節(jié)，因為傳感器采集到的初始信息中包含了大量的噪聲，將有用的信息量掩蓋住，因此必須要進行濾波，因此利用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路進行濾波是必不可少的；

步驟8：是否到達采集時間？若到達，則進入中斷程序；否則，發(fā)送采集到的接收端；

步驟9：是否進入下一輪采集？若進入下一輪采集，則回到步驟5；否則，等待關(guān)機命令，關(guān)閉整個傳感器系統(tǒng)。

2 傳感器性能檢測

面向微機械電子技術(shù)的自動化測量傳感器理論設(shè)計完成后，還需要按照設(shè)計方案制成成品，以對傳感器性能進行驗證，判斷設(shè)計中存在的問題，并進行改進和優(yōu)化。

2.1 傳感器材料準備

根據(jù)上述自動化測量傳感器理論設(shè)計，準備相關(guān)材料，為一種微型壓力傳感器制備做準備。傳感器制備材料如圖3所示。

圖3 傳感器制備材料

1.5 傳感器工作程序設(shè)計

上述幾個章節(jié)的自動化測量傳感器設(shè)計屬于硬件范疇，除此之外，還需要為其編寫和設(shè)計工作程序，為其

2.2 自動化測量傳感器組裝

將圖3中這些材料組裝在一起，制備成自動化測量傳感器成品。由于后續(xù)檢測內(nèi)容不同，因此采用6份相同材料制備6個成品受試體，如圖4所示。

圖4 自動化測量傳感器成品示意圖

制備的好的自動化測量傳感器成品預期達到的標準如下：

精 度：≤%F?S ±0.1；

非線性：≤%F?S ±0.1；

遲滯性：≤%F?S ±0.1；

重復性：≤%F?S ±0.1。

2.3 傳感器測試方案

傳感器測試項目主要包括6個，即精度、可靠性、靈敏度、非線性度、遲滯特性、重復性。下面對這六個項目進行具體分析。

1）精度測試

精度，即傳感器采集到的量值與實際作用在傳感器上的壓力值之間的誤差。測試裝置為一臺萬能壓力測試機，將設(shè)計的傳感器放到測試機下壓板的正下方，然后設(shè)置不同的壓力施加值（5MPa、10MPa、15MPa和20MPa），重復試驗10次，取絕對平均值，最后與實際壓力值進行差值計算，并取驗證差值P是否≤%F?S±0.1。精度測試檢驗場景如圖5所示。

圖5 精度檢測現(xiàn)場

2）可靠性

傳感器可靠性檢測是指檢測接口的密封程度，也就是是否存在漏氣和漏電的現(xiàn)象。針對上述兩種現(xiàn)象，測試裝置分別為壓力測漏儀和兆歐表。前者合格標準為平均值≤所施加穩(wěn)定壓力值的0.05%，認為接口不存在漏氣問題；后者合格標準為絕緣電阻值≥50兆歐，認為接口不存在漏電問題。

3）靈敏度S

靈敏度是指傳感器隨著輸入量變化而導致輸出量變化程度。測試所需要數(shù)據(jù)來自圖5裝置測量所得數(shù)據(jù)。靈敏度計算公式如下：

式中，C代表傳感器輸出量的增量；g代表傳感器的初始電壓值與電極之間的距離；C0代表傳感器初始電壓值；Pm代表膜片中心最大撓度等于常數(shù)d時的最大壓力。P代表外界氣體的壓強。

4）非線性度RL

非線性度是指按照時間序列，自動化測量傳感器輸出的測量值繪制的曲線與實際壓力曲線之間的擬合偏差。測試所需要數(shù)據(jù)來源同上。度量公式如下：

式中，ΔLmax代表自動化測量傳感器輸出的測量值繪制的曲線與實際壓力曲線之間的最大偏差；FYS代表滿量程輸出電壓值。

5）遲滯性YH

遲滯性是指全量程范圍內(nèi)，在同一試驗點輸入值增加和減少時，二者輸出電壓值之間的最大差值。測試所需要數(shù)據(jù)來源同上。度量公式如下：

式中，ΔCmax代表測試范圍內(nèi)壓力傳感器的最大遲滯誤差。

6）重復性F

相同測試條件下，連續(xù)多次測量結(jié)果之間的符合程度。測試所需要數(shù)據(jù)來源同上。公式如下：

式中，a代表貝塞爾標準差：

2.4 結(jié)果與分析

所設(shè)計微型壓力自動化測量傳感器檢測結(jié)果如表2所示。

表2 自動化測量傳感器性能檢測結(jié)果

將表2與上述傳感器檢測合格標準進行比對，得出的實際檢測結(jié)果均在合格標準規(guī)定的范圍內(nèi)，由此證明所設(shè)計的傳感器達到預期，可以被用于實際壓力測試中。

3 結(jié)語

綜上所述，傳感器用途廣泛，可以用于各種參數(shù)的測量和檢測工作，極大地方便了人們的數(shù)據(jù)采集業(yè)務。然而，隨著傳感器技術(shù)的深入研究，傳感器逐漸向著更加微型化發(fā)展，用于更加精細測量。本研究主要對傳感器的敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及各種電路進行了設(shè)計，并針對設(shè)計好的傳感器成品進行性能檢驗，判斷是否符合產(chǎn)品合格標準。經(jīng)檢驗，傳感器各項指標均合格，認為該傳感器設(shè)計合理，具有應用前景。然而，本研究在檢測部分均是在理想的環(huán)境中進行的，而傳感器實際工作環(huán)境較為惡劣，因此得出的檢測結(jié)果可能與實際情況存在一定的誤差，這有待進一步分析和檢測，從而進一步優(yōu)化所設(shè)計傳感器的性能。