半導(dǎo)體壓力傳感器

秦慧嫻

【摘 要】微電子技術(shù)的應(yīng)用與影響在我們的日常生活中隨處可見。在本文里，簡要地?cái)⑹隽宋㈦娮蛹夹g(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，實(shí)際應(yīng)用，發(fā)展趨勢和展望。隨著IC制造業(yè)的迅速發(fā)展，硅膜片式壓力傳感器及集成化壓力傳感器收到青睞，對其開發(fā)研制相當(dāng)盛行。本文詳細(xì)介紹半導(dǎo)體壓力傳感器的原理與應(yīng)用，增進(jìn)對微電子技術(shù)的了解。

【關(guān)鍵詞】微電子技術(shù)；集成化；壓阻效應(yīng)；RAM

一、微電子技術(shù)及壓力傳感器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

19世紀(jì)末20世紀(jì)初的物理學(xué)革命，為微電子技術(shù)的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體三個(gè)重要物理效應(yīng)——光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、整流效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)的建立和材料物理的發(fā)展，都起到了理論推動作用。在半導(dǎo)體壓力傳感器中壓阻式是最普及的一種。最近開發(fā)研制出一種新型壓阻式壓力傳感器，由雙SOI（絕緣體上外延硅）結(jié)構(gòu)和4端子壓阻元件構(gòu)成如圖1所示。SOI結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，用絕緣體覆蓋作為應(yīng)變片的單晶硅電阻器，可減小高溫區(qū)的特性劣化，再用切斷應(yīng)變片方式就能獲得提高溫度特性、提高靈敏度之成效。

（一）集成電路的發(fā)展

作為微電子技術(shù)的核心，集成電路（IC）經(jīng)歷了小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模階段如圖2-1，目前已進(jìn)入甚大規(guī)模階段，其集成度不斷提高、功耗延遲積（優(yōu)值）和特征尺寸不斷縮小、集成規(guī)模不斷增大。各方面的性能不斷優(yōu)化，價(jià)格卻在不斷降低——如此一來，產(chǎn)品的升級換代不僅導(dǎo)致性能品質(zhì)的提升，價(jià)格也變得越來越便宜，性價(jià)比不斷提高，在人類生活中也越來越受到歡迎，得到了廣泛的應(yīng)用。集成電路的制造工藝主要包括以下內(nèi)容。

目前，我們已經(jīng)進(jìn)入納米時(shí)代。0.25微米的CMOS工藝技術(shù)已進(jìn)入大量生產(chǎn)，以該項(xiàng)技術(shù)制作出來的256Mb的DRAM和600MHz的微處理器芯片上，每片上的集成的晶體管數(shù)已經(jīng)達(dá)到10～8-10～9數(shù)量級；10nm的器件已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研制成功，相應(yīng)的柵氧化層只有1.0-2.0nm；90nm-32nm工藝已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)，晶體管本身寬度只有30nm-50nm.微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展高速、輻射面廣，極大地影響了社會的方方面面，已經(jīng)被列為是支柱產(chǎn)業(yè)之一【1】。

二、半導(dǎo)體壓力傳感器的定義及類型

（一）智能壓力傳感器的定義

所謂智能壓力傳感器就是一種帶有微處理器（單片機(jī)）的，兼有信息監(jiān)測、信號處理、信息記憶、邏輯思維判斷功能的壓力傳感器【2】。顯然，智能壓力傳感器具有較強(qiáng)的信息處理功能的能力，這主要是通過未處理器的程序來完成的，也就是說智能壓力傳感器是硬件電路和軟件程序結(jié)合的產(chǎn)物【3】。因此，智能壓力傳感器是既有獲得信息的能力，又有信息處理功能的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器具備學(xué)習(xí)、推理、感知及管理的功能。

（二）智能壓力傳感器的類型

智能壓力傳感器是微處理器和壓力傳感器的結(jié)合。因此，根據(jù)他們的實(shí)現(xiàn)途徑可分為：非集成化的智能壓力傳感器、集成化的智能壓力傳感器和混合型的智能壓力傳感器。非集成化的智能壓力傳感器是吧傳統(tǒng)的壓力傳感器、信號調(diào)節(jié)電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合成一個(gè)整體，構(gòu)成一個(gè)智能壓力傳感器系統(tǒng)。這種非集成化的智能壓力傳感器實(shí)際上就是在傳統(tǒng)的壓力傳感器系統(tǒng)上增加了微處理器的連接。因此，這是一種實(shí)現(xiàn)智能壓力傳感器系統(tǒng)最快的途徑和方式。

三、半導(dǎo)體壓力傳感器的原理

（一）系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)的所有器件有：微處理器AT89V51、放大器INA118P、LM158、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX187、通訊芯片MAX485、復(fù)位芯片X25045、點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊、數(shù)控電位器X9313及阻、容原件

（二）壓力測試

壓力是由壓力傳感器將測得的模擬信號送放大器INA118P放大處理，由LM158提供電源[5]。INA118P放大的信號無凋零作用，需要再經(jīng)過放大器LM158進(jìn)行調(diào)整。該信號通過MAX187轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（三）溫度補(bǔ)償

系統(tǒng)的溫度測量、溫度補(bǔ)償是由溫度測量芯片AD590直接測得并輸出模擬電壓，通過MAX187轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給AT89C51.進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（四）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用微處理器AT89C51。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片MAX187是輸入跟蹤、保持和逐步逼近寄存器構(gòu)成的電路，它將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號輸出。T/H不需要外部的保持電容。MAX187在10μs中變換0V至VREF范圍內(nèi)的輸入信號，其中包含T/H的采集時(shí)間。MAX187的內(nèi)部基準(zhǔn)調(diào)整到1.096V，亦可以接受從+2.5V至VDD的外部基準(zhǔn)電壓。串行接口只需要三個(gè)數(shù)字線CS/SCLK和DOUT。

四、微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和展望

微電子作為一個(gè)非常有活力的領(lǐng)域，依然在不斷快速發(fā)展。一些技術(shù)已經(jīng)投入應(yīng)用，在社會各個(gè)方面為人類提供便利；而另一些技術(shù)還處于試驗(yàn)階段，有待科學(xué)家們的繼續(xù)研究。目前，微電子領(lǐng)域的前沿技術(shù)包括微電子制造工藝、微電子材料的研究、超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)以及MEMS技術(shù)等。微加工工藝是制造MEMS的主要手段，IC制造技術(shù)含（如光刻、薄膜淀積、注入擴(kuò)散、刻蝕等）、微機(jī)械加工技術(shù)（如犧牲層技術(shù)、各向異性刻蝕、雙面光刻以及軟光刻技術(shù)等）和特殊微加工技術(shù)。目前微電子的制造工藝采用光刻和刻蝕等微加工方法，將大的材料制造為小的結(jié)構(gòu)和器件，并與電路集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化。對半導(dǎo)體材料的研究也是微電子領(lǐng)域的熱門。由最原始的元素半導(dǎo)體（鍺、硅、硒、硼、銻、碲），到化合物半導(dǎo)體（砷化鎵、磷化錮、銻化錮、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等），乃至熱門的有機(jī)半導(dǎo)體和無定型半導(dǎo)體。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔣燕燕.微電子技術(shù)的現(xiàn)狀與未來展望

[2]晏伯武，兆春 微電子技術(shù)發(fā)展與展望

[3]張興，黃如，李曉彥微電子學(xué)概論（第二版）