國外生產(chǎn)壓阻式壓力傳感 器和變送器的公司有很多。技術(shù)起步較早的有美國的ENTRAN公司和ENDEV— CO公 司。尤其是ENDEVCO公司 ，以微機(jī)械加工技術(shù)研 制了多種硅雙島壓力傳感器 ，并廣泛應(yīng)用于航空、航天動(dòng)壓試驗(yàn) 。目前以生產(chǎn)“不銹鋼膜片隔離型”壓阻式壓 力 傳感器為代表性的公 司有：美國 ICSensors公 司、美國 NOVA公司 、美國SENSYM公司和瑞士KELLER公司 ， 其典型產(chǎn)品性能為 目前世界領(lǐng)先水平。到 目前為止 ，國 產(chǎn)壓力傳感器在 國內(nèi)僅占需求量的20％左右 ，而以美國為首的諸多國外公司在發(fā)展了 “不銹鋼膜片 隔離型”壓阻式壓力傳感器后，便開始大力開拓中國市場，占據(jù)了國內(nèi)需求量的70％一8O％。國內(nèi)從事生產(chǎn) 民品壓阻式 壓力傳感器的主要廠家(公司)有寶雞麥克公司、蚌埠庫利特公司和沈陽儀器儀表工藝研究所 ，現(xiàn)在已有的“不銹 鋼膜片隔離型”壓阻式壓力傳感器 ，外型尺寸單一 ，技術(shù)指標(biāo)偏低 ，溫度穩(wěn)定性差 ，只能用于工業(yè)或民用 ，而且產(chǎn)量低、品種不全，尚未形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化 ，不能滿足國內(nèi)市場需求。

      該傳感器采用MEMS技術(shù)和半導(dǎo)體微機(jī)械加工工藝，靜電封裝工藝和真空注油工藝制成。感壓膜片為316不銹鋼 ，使被測介質(zhì)與敏感元件隔離，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、性能穩(wěn)定 、具有廣泛的介質(zhì)兼容性等優(yōu)點(diǎn)。采用微型全焊接結(jié)構(gòu) ，其輸出信號(hào)經(jīng)放大處理 電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)(0～5) V的電壓信號(hào)。該傳感器還具有精度高，穩(wěn)定性好 ，小尺寸抗振動(dòng) 、沖擊等特點(diǎn) ，可以廣泛用于石油 、冶金 、化工 、 航空、航天 、武器裝備等領(lǐng)域壓力的測量和控制。

1 工作原理

      單晶硅材料在受到力的作用后，其 電阻率要發(fā)生變 化，而且在不同的晶向上電阻率的變化不同。傳感器的敏 感元件就是利用單 晶硅的壓阻效應(yīng)原理制成的，在單晶硅 上形成一個(gè)與傳感器量程相應(yīng)厚度的彈性膜片，采用微電 子工藝在彈性膜片上形成四個(gè)應(yīng)變 電阻，組成一個(gè)惠斯通 電橋。當(dāng)壓力作用后 ，彈性膜片就會(huì)產(chǎn)生變形 ，形成正、負(fù)兩個(gè)應(yīng)變區(qū)，材料的電阻率就要發(fā)生相應(yīng)的變化 。通過合理的設(shè)計(jì) ，使得當(dāng)單晶硅片受到壓力作用時(shí)，電橋一個(gè)對(duì)臂的兩個(gè)電阻阻值增大，另一個(gè)對(duì)臂上的兩個(gè)電阻阻值減小 ，這樣 ，在一定電源激勵(lì)下，電橋的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與被測壓力成一定比例關(guān)系的電壓信號(hào)。

2 方案設(shè)計(jì)

      根據(jù)傳感器的技術(shù)指標(biāo)和外型尺寸要求 ，方案采用硅壓阻式雙島結(jié)構(gòu)、具有隔離膜片的傳感器敏感芯體 ，并附以信號(hào)放大和調(diào)理電路來實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的功能。 

2.I 敏感芯體設(shè)計(jì) 

      雙島形硅杯就是用單晶硅材料制作的一個(gè)周邊固支且中心有兩個(gè)硬島的薄膜片 ，然后在其上特定的位置擴(kuò)散四個(gè)力敏電阻，再通過金屬互連形成一個(gè)惠斯通電橋 。 當(dāng)彈性膜片受到均勻的流體壓力作用時(shí) ，電橋一個(gè)對(duì)臂的兩個(gè)電阻阻值增加 ，另一個(gè)對(duì)臂的兩個(gè)電阻阻值減小 ， 在恒定電流供 電的情況下 ，電橋的輸出與膜片所受的壓力成正比。

圖 1 等效電路

      對(duì)于傳統(tǒng)的c型硅杯結(jié)構(gòu) ，其兩對(duì)力敏電阻通常為縱向受拉或縱向受壓，它們的非線性值比橫向受拉或受壓時(shí)要小，但符號(hào)相同 ，使非線形增加。對(duì)于矩形雙島硅膜結(jié)構(gòu) ，兩對(duì)力敏電阻分別位于雙島之間的中央溝槽和島與邊框之間的邊緣溝槽表面，對(duì)這種雙島結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析表明，由于槽寬比槽長小得多 ，故這些應(yīng)力主要是橫向應(yīng)力。當(dāng)其正面受壓時(shí)，P型電阻R所在的邊緣溝槽上表面受拉伸應(yīng)力 ，而R所在的中央溝槽 上表面受壓縮應(yīng)力。這時(shí) R 和 R 的非線性符號(hào)相反而數(shù)值相近 ，故可實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償 。

      根據(jù)以上分析，我們將四個(gè)應(yīng)變電阻 中兩個(gè)設(shè)計(jì)在膜片中心溝槽內(nèi)，兩個(gè)分別設(shè)計(jì)在兩旁的邊緣溝槽內(nèi)，這樣它們一對(duì)感受壓應(yīng)力 ，另一對(duì)感受張應(yīng)力 ，可以獲得最大的靈敏度 ，并且還能進(jìn)行非線性補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能 ，應(yīng)使四個(gè)電阻的長、寬相等 ；所受應(yīng)力相等；摻雜濃度相等。這樣可以減小傳感器的零點(diǎn)溫度漂移。

      采用靜電封接的方法 ，將雙島形硅杯和玻璃基座在真空中封接在一起 ，使硅杯內(nèi)部形成一個(gè)真空參考?jí)毫η�。采用不銹鋼波紋膜片進(jìn)行隔離封裝 ，在芯片與不銹鋼膜片的腔體內(nèi)充滿硅油 ，以實(shí)現(xiàn)從波紋膜片到硅油、芯片的壓力傳遞 。

圖 2 敏感芯體結(jié)構(gòu)圖

2.2 溫度補(bǔ)償 

      擴(kuò)散硅壓阻式傳感器以其高的靈 敏度輸出，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，測量精度高 ，穩(wěn)定性好 ，易于小型化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但擴(kuò)散硅壓阻式傳感器受到環(huán)境溫度影響，會(huì)產(chǎn)生很大的零點(diǎn)和靈敏度漂移 ，這大大地限制了它的應(yīng)用 ，所以采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施是十分重要的。主要采取了以下幾種減小溫度漂移的措施：

(I)敏感元件制作擴(kuò)散工藝中，采用離子注人方法進(jìn)行摻雜，以盡量減小四個(gè)敏感電阻阻值和溫度系數(shù)差異；

(2)適當(dāng)提高擴(kuò)散 電阻條的摻雜濃度，少量犧牲靈敏度以降低擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)；

(3)選擇合適的與硅材料膨脹系數(shù)相近 的玻璃基座材料 ，以減小與玻璃基座連接產(chǎn)生的熱應(yīng)力 ；

(4)擴(kuò)散硅片與玻璃基座的連接采用靜電封接工藝 ，此工藝不但可以將硅片與玻璃可靠連接 ，而且由于兩者的接合不用任何添加材料，消除了添加材料隨溫度變化產(chǎn)生的老化、滯后等效應(yīng)。

(5)采用了外電路串并聯(lián)電阻兩點(diǎn)補(bǔ)償方法對(duì)傳感器的零點(diǎn)和靈敏度進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償電路如圖3所示。

      測量每一個(gè)敏感芯體在不同溫度下的零點(diǎn)輸 出，根據(jù)每一個(gè)敏感芯體零點(diǎn)溫漂的具體數(shù)值 ，選取不同的串并聯(lián)電阻R、R ，將傳感器的熱零點(diǎn)漂移降低到指標(biāo)要求的數(shù)值。

圖 3 傳感器溫度補(bǔ)電路圖

2.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 

      由于要求傳感器應(yīng)具有 (0～5)V的直流電壓輸出， 而敏感芯體的輸出只有幾十毫伏 ，因此必須對(duì)敏感芯體的輸 出信號(hào)進(jìn)行放大處理。信號(hào)處理電路實(shí)際上包括兩 個(gè)方面的設(shè)計(jì) ，一是 敏感芯體供 電電路的設(shè)計(jì) (恒流源設(shè)計(jì) )，二是放大電路的設(shè)計(jì) 。

2．3．1 恒流源設(shè)計(jì) 

      由于橋臂電阻R對(duì)溫度敏感，隨溫度升高阻值增 大 ，而靈敏度隨溫度升高而下降，因此恒流源供 電對(duì)溫漂 具有補(bǔ)償作用。該傳感器采用電壓一電流轉(zhuǎn)換形式恒流源 ，傳感器敏感元件的惠斯通電橋置于集成運(yùn)算放大器的反饋回路，如圖4所示。其中z為高精度基準(zhǔn)電壓源， R 、R 為分壓電阻，R用于調(diào)整電流的大小。

圖 4 恒流源電路原理圖

2．3．2 放大電路設(shè)計(jì) 

      電路設(shè)計(jì)采用如圖5所示的信號(hào)處理電路 。

圈 5 傳感器信號(hào)處理電路圖

        在印制電路板的設(shè)計(jì)過程中，為了減少電子電路的輻射發(fā)射 ，應(yīng)當(dāng)減少由于電流流過 電路導(dǎo)線形成差膜輻 射 的環(huán) 面積，尤其是數(shù)字電路的環(huán)面積。 由于細(xì)而長的回導(dǎo)線呈現(xiàn)高電感 ，其阻抗隨頻率增加而增加 。為了避免引起阻抗耦合 ，使用銅箔板和盡可能寬的跡線。 電源布線 ，在考慮安全條件下 ，電源線盡可能地靠近了地線 ，以減少差膜輻射的環(huán)面積 ，也有助于減少電路的交擾 。此外 ，避免了印制電路版導(dǎo)線的不連續(xù)性，跡線寬度不要 突變，導(dǎo)線不要突然拐角 。

3 測試結(jié)果與分析

       對(duì)經(jīng)工藝考核的產(chǎn) 品 ，按照相應(yīng)的超小型壓力傳感器規(guī)定的條件和方法進(jìn)行 了性能測試，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)全部滿足要求 。主要性能指標(biāo)測試結(jié)果見表1。

表 1 主要性能指標(biāo)測試結(jié)果

        該傳感器投產(chǎn)兩批用于性能測試，每批生產(chǎn)3只，共計(jì)6只。經(jīng)全過程工藝考核，其合格率達(dá)到100％�？己私Y(jié)果表明，產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理 、工藝設(shè)計(jì)可行，具有可操作 性 ，能夠滿足批量 生產(chǎn)的要求 。

4 結(jié)束語

        超小型壓力傳感器(以下簡稱傳感器)是利 用單晶 硅的壓阻效應(yīng)原理 ，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體平面工藝 、微機(jī)械加工工藝 、溫度補(bǔ)償及 固態(tài)集成工藝制造 的。產(chǎn)品在制作過程中經(jīng)過嚴(yán)格的工藝檢驗(yàn)和環(huán)境性能試驗(yàn)。從社會(huì)效益來看，該傳感器的應(yīng)用研究 ，為實(shí)現(xiàn)我國武器裝備 國 產(chǎn)化水平的提高奠定 良好 的基礎(chǔ) 。根據(jù)該傳感器的特 點(diǎn)，使該傳感器在很多應(yīng)用領(lǐng)域得以推廣 ，成為航空、航天壓力測量領(lǐng)域的更新?lián)Q代產(chǎn) 品。且該傳感器體積小、 重量輕，適用與對(duì)體積和重量有特殊要求的領(lǐng)域 。

參考文獻(xiàn)

[1]劉恩科 ，朱秉SI，羅晉生編．半導(dǎo)體物理學(xué) [M]．國防上業(yè)出版社 ， 1989．

[2]乍f霖，李偉 ，楊燦軍等 ．Power—MEMS研 究現(xiàn)狀及 展望 [J]．機(jī)床與液壓 ，2004，9：5—54． 

[3]劉 曉為 ，鄧琴 ．MEMS微 電源技術(shù) [J]．傳感技術(shù) ，2003，22(7)： 77 一 R0

班寧產(chǎn)品匯總