卞麗情
(廣州應(yīng)用科技學(xué)院,廣州 511370)
傳感器是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中最具有代表性的成就之一,與通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)地位相同。傳感器應(yīng)用范圍廣泛,幾乎可以應(yīng)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(dǎo)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(yàn)、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(xì)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(jī)、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(jìn)程中最常應(yīng)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(jìn)行面向微機(jī)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(yīng)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(jìn)行實(shí)體傳感器制作,并測試使用效果是否達(dá)到預(yù)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(jìn)微機(jī)械電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。
微機(jī)械電子技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)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(jìn)其他設(shè)備當(dāng)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(yīng)有場合,微機(jī)械電子系統(tǒng)當(dāng)中的微傳感器類型不同,本研究以壓力傳感器為對象,進(jìn)行設(shè)計研究。壓力傳感器是基于壓阻效應(yīng)并結(jié)合歐姆定律來估算壓力值的。當(dāng)外界給予半導(dǎo)體材料(敏感膜片)一定壓力時,該材料會發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變,而應(yīng)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(yīng)電壓值,然后再利用歐姆定律就可以換算出實(shí)際壓力值[2]。
電阻變化數(shù)學(xué)公式表示如下:
當(dāng)半導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(jìn)行具體分析。
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(shí)際上就是一種彈性薄膜,具有很好的應(yīng)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行打磨和拋光,之后還需要進(jìn)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(biāo)記,也就是制備對準(zhǔn)標(biāo)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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。
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(yīng),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(yīng)變力轉(zhuǎn)換為電阻值,進(jìn)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(diǎn),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。
信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的作用是進(jìn)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
所設(shè)計的自動化測量傳感器主要為微機(jī)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(jìn)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(dǎo)。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(dá)?若到達(dá),則進(jìn)入下一步;否則,進(jìn)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(jìn)行放大以及濾波處理;濾波傳感器完成采集任務(wù)后,十分重要的環(huán)節(jié),因?yàn)閭鞲衅鞑杉降某跏夹畔⒅邪舜罅康脑肼?,將有用的信息量掩蓋住,因此必須要進(jìn)行濾波,因此利用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行濾波是必不可少的;
步驟8:是否到達(dá)采集時間?若到達(dá),則進(jìn)入中斷程序;否則,發(fā)送采集到的接收端;
步驟9:是否進(jìn)入下一輪采集?若進(jìn)入下一輪采集,則回到步驟5;否則,等待關(guān)機(jī)命令,關(guān)閉整個傳感器系統(tǒng)。
面向微機(jī)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(jìn)行驗(yàn)證,判斷設(shè)計中存在的問題,并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。
根據(jù)上述自動化測量傳感器理論設(shè)計,準(zhǔn)備相關(guān)材料,為一種微型壓力傳感器制備做準(zhǔn)備。傳感器制備材料如圖3所示。
圖3 傳感器制備材料
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
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(yù)期達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)如下:
精 度:≤%F?S ±0.1;
非線性:≤%F?S ±0.1;
遲滯性:≤%F?S ±0.1;
重復(fù)性:≤%F?S ±0.1。
傳感器測試項(xiàng)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(fù)性。下面對這六個項(xiàng)目進(jìn)行具體分析。
1)精度測試
精度,即傳感器采集到的量值與實(shí)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(jī),將設(shè)計的傳感器放到測試機(jī)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(fù)試驗(yàn)10次,取絕對平均值,最后與實(shí)際壓力值進(jìn)行差值計算,并取驗(yàn)證差值P是否≤%F?S±0.1。精度測試檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)為平均值≤所施加穩(wěn)定壓力值的0.05%,認(rèn)為接口不存在漏氣問題;后者合格標(biāo)準(zhǔn)為絕緣電阻值≥50兆歐,認(rèn)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(dǎo)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(qiáng)。
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(shí)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(shí)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(yàn)點(diǎn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)差:
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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對,得出的實(shí)際檢測結(jié)果均在合格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi),由此證明所設(shè)計的傳感器達(dá)到預(yù)期,可以被用于實(shí)際壓力測試中。
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(wù)。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(xì)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(jìn)行了設(shè)計,并針對設(shè)計好的傳感器成品進(jìn)行性能檢驗(yàn),判斷是否符合產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)檢驗(yàn),傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均合格,認(rèn)為該傳感器設(shè)計合理,具有應(yīng)用前景。然而,本研究在檢測部分均是在理想的環(huán)境中進(jìn)行的,而傳感器實(shí)際工作環(huán)境較為惡劣,因此得出的檢測結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定的誤差,這有待進(jìn)一步分析和檢測,從而進(jìn)一步優(yōu)化所設(shè)計傳感器的性能。