MEMS數(shù)字壓力傳感器的設(shè)計(jì)

高志勇，石 雄

(武漢工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430023)

現(xiàn)代科技領(lǐng)域中，傳感器技術(shù)的地位越來(lái)越重要，發(fā)展日益迅速。在眾多傳感器中，壓力傳感器是廣泛應(yīng)用的一種，其按原理可分為應(yīng)變壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器和陶瓷壓力傳感器;按輸出方式可分為模擬輸出和數(shù)字輸出。模擬輸出容易實(shí)現(xiàn)，但在傳輸過(guò)程中容易受到外界和通信系統(tǒng)內(nèi)部各種噪聲干擾，抗干擾能力低。數(shù)字輸出的壓力傳感器通常是在模擬傳感器的基礎(chǔ)上增加A/D轉(zhuǎn)換器和MCU(Micro Controller Unit)。將模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入MCU，經(jīng)過(guò)處理后，就可以以數(shù)字的方式向外傳送數(shù)據(jù)。

本方案將內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字收發(fā)接口的MCU以及擴(kuò)散硅壓力敏感芯片、驅(qū)動(dòng)放大電路集成在一塊電路板上，然后采用MEMS系統(tǒng)級(jí)封裝工藝將整塊印制電路板封裝在一個(gè)金屬殼體中，形成完整的數(shù)字壓力傳感器［1］。

1 擴(kuò)散硅壓力傳感器及其封裝

擴(kuò)散硅壓力傳感器采用集成工藝技術(shù)，經(jīng)過(guò)摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯通電路［2］。擴(kuò)散硅壓力傳感器工藝原理如圖1所示。

圖1 擴(kuò)散硅壓力傳感器原理

壓力傳感器可以采用恒壓源或恒流源，但采用恒壓源，則存在環(huán)境溫度影響而不能消除的問(wèn)題。具體分析如下：在這里比較輸出電壓，測(cè)試電路為全臂橋電路，設(shè)

ΔR，當(dāng)有應(yīng)力時(shí)，電阻阻值的變化量;

ΔRT，受溫度影響，電阻阻值的變化量。

恒壓源時(shí)，

輸出與溫度有關(guān)且為非線性關(guān)系;

恒流源時(shí)，

輸出與溫度無(wú)關(guān)［3］。所以本系統(tǒng)采用恒流源。

擴(kuò)散硅壓力敏感芯片加上配套的放大電路并不能組成完整的壓力傳感器，還需要合適的封裝。本設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)，將設(shè)計(jì)的集成電路板植入氣密充油的不銹鋼外殼中，體積比傳統(tǒng)封裝工藝小。植入陶瓷填充片，陶瓷填充片可有效減少硅油填充量。硅油采用真空灌充技術(shù)，可消除殘余氣體對(duì)隔離測(cè)壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)級(jí)封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示［1］。

圖2 系統(tǒng)級(jí)封裝的壓力傳感器結(jié)構(gòu)

2 總體設(shè)計(jì)

壓力傳感器多在惡劣的環(huán)境下工作，對(duì)其抗干擾能力、穩(wěn)定性和可靠性都有很高的要求。例如某種應(yīng)用場(chǎng)合工作溫度范圍要在-40℃至+125℃之間，因此在選擇驅(qū)動(dòng)放大器和MCU時(shí)都必須滿足這一要求。壓力敏感芯片、驅(qū)動(dòng)放大電路、MCU各參數(shù)都要認(rèn)證清楚。既要滿足其苛刻的要求，又要保證其高性能。從而根據(jù)實(shí)際需求推廣應(yīng)用。

2.1 AM417的主要功能特點(diǎn)

AM417是一個(gè)低成本的比例電壓放大器，專為電橋輸入信號(hào)而設(shè)計(jì)。集成電路包含一個(gè)用來(lái)激勵(lì)傳感器的電流源，一個(gè)針對(duì)不同輸入信號(hào)的高精度放大器，和一個(gè)電壓輸出級(jí)。增益、補(bǔ)償和電壓輸出級(jí)通過(guò)外部電阻調(diào)節(jié)。電壓輸出級(jí)被設(shè)計(jì)成集電極開(kāi)路。輸出電流為10 mA。通過(guò)增加額外的電阻可以簡(jiǎn)單的限制電流的大小。AM417的模塊功能、調(diào)節(jié)參數(shù)可校準(zhǔn)傳感器、小尺寸封裝和低成本的優(yōu)點(diǎn)非常適合汽車傳感器應(yīng)用。AM417的芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 AM417的芯片結(jié)構(gòu)

AM417包含3個(gè)基本的功能模塊：

1)激勵(lì)傳感器的穩(wěn)定電流源

電流IIB通過(guò)電阻R1的阻值變化來(lái)調(diào)節(jié)：

2)輸入級(jí)儀表放大器為橋式輸入信號(hào)前置放大提供固定增益GIA=10.

3)集電極開(kāi)路輸出級(jí)

輸出電壓：作為輸出電壓放大器，有一個(gè)外部PNP集電極開(kāi)路T1，能輸出最大電流IOUT=5 mA。輸出增益GOUT通過(guò)外部電阻R3和R4調(diào)節(jié)，GOUT=2，3，…，11：

整個(gè)系統(tǒng)的增益為G=GIA·GOUT.

2.2 C8051F520A的主要功能特點(diǎn)

C8051F520A器件是完全集成的極低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型的微控制器，其主要特性如下。

1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的與8051兼容的微控制器，處理速度可達(dá)25 MIPS;

2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口;

3)真12位、200 ksps ADC，最多16路模擬輸入，帶模擬多路器;

4)高精度可編程的24.5 MHz內(nèi)部振蕩器，在整個(gè)電壓和溫度范圍內(nèi)精度為±5%;

5)達(dá)7680字節(jié)的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器;

6)256字節(jié)片內(nèi)RAM;

7)硬件實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)型UART和SPI串行接口;

8)LIN2.0外設(shè)(兼容V2.0和V1.3，主方式和從方式);

9)3個(gè)通用的16位定時(shí)器;

10)具有3個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA);

11)片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器;

12)片內(nèi)電壓比較器;

13)6個(gè)端口I/O;

C8051F520A的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 C8051F520A結(jié)構(gòu)圖

具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F520A器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。

片內(nèi)Silicon Labs二線(C2)開(kāi)發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用系統(tǒng)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用C2進(jìn)行調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。兩個(gè)C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)編程和調(diào)試功能不占用封裝引腳。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

MEMS數(shù)字壓力傳感器原理框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字壓力傳感器原理框圖

總體來(lái)說(shuō)，數(shù)字壓力傳感器的組成分為三部分：壓力敏感芯片、驅(qū)動(dòng)放大電路和單片機(jī)。驅(qū)動(dòng)放大電路包括信號(hào)放大電路和穩(wěn)定電流源，本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)放大器是集成的差壓放大芯片AM417，它除了電壓放大作用外，還為壓力傳感器提供穩(wěn)定的1mA電流，放大倍數(shù)可以通過(guò)集成芯片的外圍電路設(shè)置。壓力傳感器和驅(qū)動(dòng)放大電路這兩個(gè)部分可以組成輸出模擬信號(hào)的傳統(tǒng)壓力傳感器。將輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)通信接口輸出，這樣就形成了數(shù)字壓力傳感器。

數(shù)字壓力傳感器的結(jié)構(gòu)分為3部分，分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 硬件電路1

圖7 硬件電路2

圖8 復(fù)位電路及接口

擴(kuò)散硅壓力敏感芯片ATP100的4、5引腳外串接100 Ω的固定電阻和500 Ω的可變電阻，調(diào)節(jié)可變電阻，以改善壓力傳感器的零點(diǎn)漂移。ATP100的1、2引腳輸出電壓變化信號(hào)到驅(qū)動(dòng)放大芯片AM417，通過(guò)AM417的外置電阻和可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，在本設(shè)計(jì)中放大倍數(shù)為40倍，其中前置放大器GIA=10，后置放大電路增益為則總增益為：G=GIA·GOUT.

輸入電壓VIN=100 mV.

輸出電壓VOUT=0.5-4.5 V.

輸出電流IOUT=10 mA.

單片機(jī)C8051F520A通過(guò)P0.2接受放大的電壓信號(hào)，通過(guò)C2接口下載程序，通過(guò)P0.4、P0.5的串行口發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)字輸出

MEMS數(shù)字壓力傳感器的數(shù)字輸出采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線包含兩種總線：LIN總線和CAN總線。LIN(Local Interconnect Network)總線是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能。CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。LIN的主要特性是其低成本，基于通用UART接口，幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件;極少的信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9141規(guī)定;傳輸速率最高可達(dá)20 kbit/s;單主控器/多從設(shè)備模式，無(wú)需仲裁機(jī)制;從節(jié)點(diǎn)不需晶振或陶瓷震蕩器就能實(shí)現(xiàn)自同步，節(jié)省了從設(shè)備的硬件成本;保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間;不需要改變LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點(diǎn);通常一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于12個(gè)，共有64個(gè)標(biāo)志符。

CAN總線最早是由德國(guó)BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，按照ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，因此也稱為CAN總線。CAN協(xié)議中每一幀的數(shù)據(jù)量都不超過(guò)8個(gè)字節(jié)，以短幀多發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性;CAN總線的糾錯(cuò)能力非常強(qiáng)，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;同時(shí)CAN總線的速率可達(dá)到1Mbit/s，是一個(gè)真正的高速網(wǎng)絡(luò)。總之，將CAN總線應(yīng)用在汽車中使用有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)用低成本的雙絞線電纜代替了車身內(nèi)昂貴的導(dǎo)線，并大幅度減少了用線數(shù)量;提高可靠性，安全性、降低成本。

2)具有快速響應(yīng)時(shí)間和高可靠性，并適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用如剎車裝置和氣囊;控制平臺(tái)、信息平臺(tái)、駕駛平臺(tái)的互連基礎(chǔ)。

3)CAN芯片可以抗高溫和高噪聲，并且具有較低的價(jià)格，開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段［4］。

3 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)試制了一小批壓力傳感器樣品，如圖9所示。

圖9 數(shù)字壓力傳感器

常溫下，加壓測(cè)試壓力傳感器的模擬輸出，取樣品1—3的輸出結(jié)果如圖10所示。通過(guò)對(duì)三個(gè)樣品的比較，可以看到三個(gè)壓力傳感器輸出信號(hào)隨壓力變化的趨勢(shì)基本一致。

圖10 壓力傳感器輸出特性

樣品1—3的模擬輸出經(jīng)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字輸出結(jié)果為12位16進(jìn)制，如表1所示。

表1 樣品1—3數(shù)字輸出結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

作為傳感器技術(shù)應(yīng)用中最主要的產(chǎn)品，壓力傳感器尤其是數(shù)字壓力傳感器有著廣闊的應(yīng)用前景。MEMS數(shù)字壓力傳感器與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，其體積、抗震性及可靠性等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。壓力傳感器是汽車電子中最主要的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，MEMS數(shù)字壓力傳感器完全可以應(yīng)用汽車，其數(shù)字輸出方式可以通過(guò)CAN總線或LIN總線加入車載網(wǎng)絡(luò)。

［1］ 石雄，劉婭，李捷，等.基于系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的車用壓力傳感器［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008(4)：643-646.

［2］ 關(guān)榮峰.MEMS機(jī)油壓力傳感器可靠性研究［J］.微納電子技術(shù)，2007(7)：176-178.

［3］ 種傳波，基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008：66-68.

［4］ 劉曉明，高青春，熊東.基于CAN/LIN總線的汽車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.微機(jī)發(fā)展，2005(8)，78-84.