基于模型識別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器

摘　要: 高溫壓力傳感器應用在很多領(lǐng)域,由于高溫將使放大電路工作失效,因而采用將放大電路與傳感器件分離的設計方案是解決高溫測量的方法之一。介紹一種將放大電路與傳感器件分離的基于模型識別技術(shù)的微型電容式壓力傳感器。傳感器件由MEMS 工藝來(lái)實(shí)現,信號激勵與信號處理由計算機來(lái)完成。

對電路的工作過(guò)程進(jìn)行了計算機仿真和試驗,并給出了微型高溫壓力傳感器的MEMS 工藝設計流程。

0 　引　言

壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統的壓力傳感器以機械結構型的器件為主,以彈性元件的形變指示壓力,但這種結構尺寸大、質(zhì)量輕,不能提供電學(xué)輸出。隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展,半導體壓力傳感器也應運而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著(zhù)MEMS 技術(shù)的發(fā)展,半導體傳感器向著(zhù)微型化發(fā)展,而且其功耗小、可靠性高。

高溫壓力傳感器是為了解決在高溫環(huán)境下對各種氣體、液體的壓力進(jìn)行測量。主要用于測量鍋爐、管道、高溫反應容器內的壓力、井下壓力和各種發(fā)動(dòng)機腔體內的壓力、高溫油品液位與檢測、油井測壓等領(lǐng)域。目前,研究比較多的高溫壓力傳感器主要有SOS ,SOI ,SiO2 , Poly2Si 等半導體傳感器,還有濺射合金薄膜高溫壓力傳感器、高溫光纖壓力傳感器和高溫電容式壓力傳感器等。半導體電容式壓力傳感器相比壓阻式壓力傳感器其靈敏度高、溫度穩定性好、功耗小,且只對壓力敏感,對應力不敏感,因此,電容式壓力傳感器在許多領(lǐng)域得到廣泛應用。

1 　器件的基本組成及制作工藝

硅電容式壓力傳感器的敏感元件是半導體薄膜,它可以由單晶硅、多晶硅等利用半導體工藝制作而成。典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時(shí),薄膜會(huì )發(fā)生一定的變形,因此,上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化,從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線(xiàn)性關(guān)系,因此,要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進(jìn)行非線(xiàn)性補償。由于高溫壓力傳感器工作在高溫環(huán)境下,補償電路會(huì )受到環(huán)境溫度的影響,從而產(chǎn)生較大的誤差。基于模型識別的高溫壓力傳感器,正是為了避免補償電路在高溫環(huán)境下工作產(chǎn)生較大誤差而設計的,其設計方案是把傳感器件與放大電路分離,通過(guò)模型識別來(lái)得到所測環(huán)境的壓力。高溫工作區溫度可達350 ℃。傳感器件由鉑電阻和電容式壓力傳感器構成。其MEMS 工藝如下:

高溫壓力傳感器由硅膜片、襯底、下電極和絕緣層構成。其中下電極位于厚支撐的襯底上。電極上蒸鍍一層絕緣層。硅膜片則是利用各向異性腐蝕技術(shù),在一片硅片上從正反面腐蝕形成的。上下電極的間隙由硅片的腐蝕深度決定。硅膜片和襯底利用鍵合技術(shù)鍵合在一起,形成具有一定穩定性的硅膜片電容壓力傳感器[2] 。由于鉑電阻耐高溫,且對溫度敏感,選用鉑電阻,既可以當普通電阻使用,又可以作為溫度傳感器用以探測被測環(huán)境的溫度。金屬鉑電阻和硅膜片的參數為:0 ℃時(shí)鉑電阻值為1 000Ω;電阻率為1. 052 631 6 ×10 - 5Ω·cm;密度為21 440 kg/ m3 ;比熱為132. 51 J/ (kg·K) 、熔斷溫度為1 769 ℃,故鉑電阻可加工為寬度為0. 02 mm;厚度為0. 2μm;總長(cháng)度為3 800μm,制作成鋸齒狀,可在幅值為10 V 的階躍信號下正常工作。電容式壓力傳感器的上下電極的間隙為3μm、圓形平板電容上下電極的半徑為73μm、其電容值為50 pF。具體工藝流程圖如圖1所示。