SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 峰，趙建立，李靜文

（南京盛業(yè)達(dá)電子有限公司，南京 211161）

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器利用SOI材料硅氧化物隔離的材料特性，實(shí)現(xiàn)了硅基壓力敏感電阻與基片襯底之間的純物理隔離，解決了常規(guī)PN結(jié)隔離的硅基壓力傳感器在寬溫區(qū)范圍內(nèi)（-55℃～+150℃）的兩端極限溫度下漏電流增加導(dǎo)致敏感元器件性能劣化，或由于環(huán)境干擾、電磁輻射等環(huán)境影響造成的傳感器精度、穩(wěn)定性降低或失效影響傳感器性能的關(guān)鍵問(wèn)題，使其具有高精度、寬溫區(qū)、抗輻射、微型化、穩(wěn)定性好、無(wú)體硅閂效等特性，在工業(yè)過(guò)程控制、航空航天、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[4-6]。

1 SOI壓阻式壓力傳感器的基本原理

壓阻式壓力傳感器的基本原理是利用硅的壓阻效應(yīng)，將被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻變化，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。當(dāng)材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻或電阻率發(fā)生明顯的變化的現(xiàn)象就叫做壓阻效應(yīng)[7]。壓阻式壓力傳感器如圖1所示。

B，E間的電勢(shì)差UBE=0，電路無(wú)電壓輸出

B，E間的電勢(shì)差UBE≠0。根據(jù)此電路特性，將R1，R2，R3，R4制成為高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，利用其半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，將壓力造成的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換為電阻本身的阻值變化，進(jìn)而改變電路中的電勢(shì)差UBE，以此來(lái)測(cè)量出壓力大小。

圖1 惠斯登電橋電路Fig.1 Wheatstone bridge circuit

由于壓力的原因，硅晶體的電阻發(fā)生變化，變化的大小與受到的壓力大小有關(guān)，同時(shí)與材料本身的壓阻系數(shù)有關(guān)。影響壓阻系數(shù)最主要的因素是環(huán)境溫度和擴(kuò)散雜質(zhì)表面的濃度。半導(dǎo)體硅、鍺材料中的壓阻效應(yīng)比金屬材料中壓阻效應(yīng)要大的多。

2 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的工藝技術(shù)

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器，包括傳感器殼體、安裝于該殼體的壓力敏感元件、調(diào)理該壓力敏感元件輸出信號(hào)的信號(hào)調(diào)理電路和引出該調(diào)理電路輸出信號(hào)的輸出電纜。

關(guān)于SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的工藝技術(shù)，本文主要介紹SOI敏感壓力芯片MEMS制造工藝技術(shù)、寬溫區(qū)SOI壓力傳感器芯體的封裝工藝技術(shù)及基于A(yíng)SIC的SOI寬溫區(qū)壓力傳感器智能化溫度補(bǔ)償技術(shù)研究，SOI寬溫區(qū)微型壓力智能傳感器的批量化生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)。

2.1 SOI敏感壓力芯片的MEMS制造工藝技術(shù)

核心敏感芯片是采用SOI硅晶圓以MEMS制作工藝技術(shù)制作生產(chǎn)。用SOI材料研制耐高溫壓阻力敏感芯片的目的就是通過(guò)SiO2絕緣層將力敏芯片的檢測(cè)電路層與硅基底隔離開(kāi)來(lái)，避免了高溫下檢測(cè)電路與基底之間的漏電流的產(chǎn)生，提高力敏芯片的耐高溫特性。

隨著時(shí)代的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，這也給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全提出了更高的要求。當(dāng)前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信中采用的安全技術(shù)主要包括WPKI技術(shù)和IBC技術(shù)兩種。其中WPKI技術(shù)是在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)PKI基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，只對(duì)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線(xiàn)環(huán)境部分進(jìn)行了改進(jìn)，所以WPKI技術(shù)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境中的應(yīng)用局限性較大。而B(niǎo)IC則結(jié)合了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特點(diǎn)，是一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全技術(shù)。因此，未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信安全技術(shù)的發(fā)展也必將以IBC技術(shù)為主。

在SOI材料的頂層硅上制作硅敏感電阻元件，敏感電阻元件采用MEMS技術(shù)對(duì)應(yīng)制作在硅壓阻效應(yīng)區(qū)內(nèi)，電阻器件采用金屬薄膜連接并組成惠斯登電橋陣列；以MEMS微機(jī)械加工工藝技術(shù)采用的各向異性腐蝕方法，在SOI基片的背面制作出周邊固支的彈性膜片，并通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝，將玻璃圓片與硅晶圓背面剛性連接，構(gòu)成壓力敏感芯片，實(shí)現(xiàn)耐高溫壓力敏感器件的設(shè)計(jì)制造。

2.2 寬溫區(qū)SOI壓力傳感器芯體的封裝工藝技術(shù)

本項(xiàng)目傳感器結(jié)構(gòu)采用隔離密封全硬封結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是將敏感芯片裝配在金屬管座上并與外界感壓環(huán)境剛性隔離，采用半導(dǎo)體引線(xiàn)鍵合工藝使敏感芯片與管座電極連接，用波紋金屬膜片隔離敏感芯片與被測(cè)環(huán)境（介質(zhì)），通過(guò)充灌液傳遞被測(cè)介質(zhì)壓力到敏感芯片，完成敏感芯片對(duì)外界被測(cè)壓力的感測(cè)過(guò)程，同時(shí)敏感元件把感受的壓力利用芯片上的電阻器件根據(jù)壓阻效應(yīng)在電流的激勵(lì)下，通過(guò)電橋?qū)毫π盘?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)予以輸出，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)壓力的測(cè)量。

通過(guò)該工藝結(jié)構(gòu)，避免了被測(cè)介質(zhì)與敏感元件的直接接觸，在提高傳感器穩(wěn)定性的同時(shí)提升其適應(yīng)能力。

2.3 基于A(yíng)SIC的SOI寬溫區(qū)壓力傳感器智能化溫度補(bǔ)償技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，壓力傳感器會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致溫度漂移和靈敏度漂移，它來(lái)源于半導(dǎo)體物理性質(zhì)對(duì)溫度的敏感性。國(guó)內(nèi)經(jīng)常使用硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩類(lèi)方法對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用厚膜集成電路數(shù)字溫度補(bǔ)償技術(shù)和非線(xiàn)性修正技術(shù)，對(duì)壓力傳感器進(jìn)行零位修正和溫度補(bǔ)償。

針對(duì)SOI寬溫區(qū)壓力傳感器開(kāi)展基于專(zhuān)用集成電路（ASIC）的智能化算法研究。通過(guò)在-50℃～+150℃寬溫度范圍內(nèi)測(cè)試SOI壓力傳感器壓力-輸出曲線(xiàn)，開(kāi)展寬溫區(qū)溫度補(bǔ)償算法研究，利用商業(yè)化ASIC芯片實(shí)現(xiàn)SOI壓力傳感器的寬溫區(qū)溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)智能化溫度補(bǔ)償及線(xiàn)性化輸出，如圖2所示。

圖2 基于A(yíng)SIC的SOI寬溫區(qū)壓力傳感器智能化溫度補(bǔ)償技術(shù)Fig.2 SOI wide temperature region pressure sensor which based on ASIC temperature compensation technology

2.4 SOI寬溫區(qū)微型壓力智能傳感器的批量化生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

基于MEMS的SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器，其制作過(guò)程包括前期核心敏感芯片的設(shè)計(jì)、核心敏感芯片的制備、敏感芯片選擇分析及MEMS加工篩選、寬溫區(qū)高精度的SOI傳感器芯體研制、研制滿(mǎn)足項(xiàng)目要求的寬溫區(qū)SOI傳感器產(chǎn)品、后期高精度SOI傳感器產(chǎn)品模塊實(shí)驗(yàn)、系列化。

3 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)性能

3.1 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器主要由擴(kuò)散硅壓力芯體、電路板、進(jìn)壓頭、殼體、輸出接口五大部分組成。

3.1.1 壓力芯體

壓力芯體用于放大特定橋式傳感器和溫度校正傳感器信號(hào)。該設(shè)備提供數(shù)字傳感器偏移補(bǔ)償、靈敏度，由一個(gè)16位的溫度漂移和非線(xiàn)性RISC微控制器運(yùn)行一個(gè)多項(xiàng)式校正算法。

圖3 壓力芯體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Pressure core internal structure

壓力芯體有3大模塊：放大模塊，控制模塊和輸出模塊。放大模塊里包含放大器、數(shù)據(jù)選擇器和AD轉(zhuǎn)換器，其主要功能是將MEMS電橋的毫伏信號(hào)放大以便處理；控制模塊包含信息存儲(chǔ)模塊、通信模塊和校準(zhǔn)模塊，專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制信號(hào)使其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并可以通過(guò)通信寫(xiě)入數(shù)據(jù)；輸出模塊包含DA轉(zhuǎn)換器和PWM控制信號(hào)模塊，用來(lái)再將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，然后將其轉(zhuǎn)化為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

3.1.2 電路板

此電路的輸入信號(hào)為24 V直流電源、12 V直流電源和5 V直流電源。當(dāng)采用24 V直流電源和12 V直流電源時(shí)，則用場(chǎng)效應(yīng)管將電壓降至5 V左右給芯片供電；當(dāng)采用5 V電源時(shí)，則只需要穩(wěn)壓管便可使電路正常工作。

此電路的輸出信號(hào)則采用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA的輸出特性。利用圖4中三極管，利用芯片輸出一定的電壓使得三極管工作在放大區(qū)，再利用基極電阻控制基極電流，從而可得到4～20 mA的集電極電流，因?yàn)榧姌O電流的大小是電流的大小與三極管放大倍數(shù)的乘積。根據(jù)后端電路的處理，加一些元器件便可以實(shí)現(xiàn)1～5 V，0～5 V和0.5～4.5 V的輸出，滿(mǎn)足工業(yè)上各種客戶(hù)的需求。

圖4 電路原理Fig.4 Principle diagram of the circuit

3.1.3 進(jìn)壓接頭

針對(duì)客戶(hù)需求。公司設(shè)計(jì)了4種進(jìn)壓頭，各自標(biāo)識(shí)不同的螺紋形狀和六方尺寸，具體如圖5所示。

圖5 進(jìn)壓頭設(shè)計(jì)方案Fig.5 Design of inlet pressure head

3.1.4 殼體及輸出接口

根據(jù)市場(chǎng)需求，公司設(shè)計(jì)了2種輸出接頭：派克接頭和直接引線(xiàn)接頭，每種接頭可用于對(duì)應(yīng)的設(shè)備，2種接頭對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙和連接方式如圖6所示。

圖6 兩種輸出接頭設(shè)計(jì)圖紙和連接方法Fig.6 Design drawings and connection method of output connector

3.2 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的性能指標(biāo)

SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器的性能指標(biāo)Tab.1 Index of SOI wide temperature range the micro intelligent pressure sensor

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)常規(guī)PN結(jié)隔離的硅基壓力傳感器在寬溫區(qū)范圍內(nèi)（-55～+150℃）的兩端極限溫度下漏電流增加導(dǎo)致敏感元器件性能劣化，研發(fā)了一種基于MEMS的SOI寬溫區(qū)微型智能壓力傳感器。 該產(chǎn)品具有較寬的工作溫度（-50～150℃）、存儲(chǔ)溫度（-50～150℃）、高精度（綜合精度：0.1 級(jí)）、零點(diǎn)溫漂（±2%FS（Max））、靈敏度溫漂（±2%FS（Max））、穩(wěn)定性好（長(zhǎng)期穩(wěn)定性：±0.2%FS/年）、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀(guān)等優(yōu)良特性。

[1]張冬至，胡國(guó)清，陳昌偉.MEMS高溫壓力傳感器的研究與進(jìn)展[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（11）：4-7.

[2]徐玥，徐閩.壓力傳感器當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)研究[J].江蘇科技信息，2014（2）：50-54.

[3]Wade P，Patrick R.Micro machined silicon carbide-sapphire fiberoptic pressure sensor in 3600 ℉ environment[J].In Tech，2002，49（1）：24-26.

[4]王偉.SOI高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)與制備技術(shù)研究[D].山西：中北大學(xué)，2014.

[5]苑偉政，馬炳和.微機(jī)械和微細(xì)加工技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[6]Hunter G W，Neudeck P G，Okojie R S，et al.An overview of high-temperature electronics and sensor development at NASA glen research center[J].Transactions of the ASME，2003，125（4）：658-664.

[7]劉珍妮，譚曉蘭，楊峻松.一種硅壓阻式壓力傳感器的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（1）：103-106.