MEMS和信號調理實(shí)現擴散硅壓力傳感器

文中介紹通過(guò)采用MEMS(micro electro mechanical systems)技術(shù)制造的硅壓阻力敏元件結合智能集成化信號調理技術(shù)設計了適合批量制造的小型化堅固封裝的通用汽車(chē)壓力傳感器。通過(guò)智能調理技術(shù)將傳感器的零位和滿(mǎn)度進(jìn)行溫度校準實(shí)現了寬溫度工作范圍內的高精度測量，并且適合于批量制造。

　　引言

　　美國汽車(chē)傳感器權威弗萊明在2000年的汽車(chē)電子技術(shù)綜述就指出了MEMS技術(shù)在汽車(chē)傳感器領(lǐng)域的美好前景。設計了基于MEMS技術(shù)和智能化信號調理的擴散硅壓力傳感器應對汽車(chē)壓力系統的壓力檢測。

　　1 傳感器原理及封裝設計

　　為了將壓力信號轉化為電信號采用了應變原理，將惠斯頓檢測電橋通過(guò)MEMS技術(shù)制作在單晶硅片上。使得單晶硅片成為一個(gè)集應力敏感與力電轉換為一體的敏感元件。如圖1所示。

　　圖1敏感元件

　　當硅芯片受到外界的應力作用時(shí)，硅應變電橋的橋臂電阻將產(chǎn)生變化，一般都為惠斯頓電橋檢測模式。如圖2所示。

　　圖2惠斯頓電橋

　　其輸出電壓表示為vo=KAR/R(Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4)。

　　因為電阻的變化直接與應力P有關(guān)，則：

　　式中：Vo為輸出電壓，mV;S為靈敏度，mV/V/Pa;P為外力或應力，Pa;VB為橋壓，VOS為零位輸出，mV.

　　單一的硅片芯片只能作為一個(gè)檢測單元的一部分無(wú)法獨立完成信號的轉換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測的能力。將圖2中的硅片芯片與PYREX玻璃環(huán)靜電封接在一起。

　　PYREX玻璃環(huán)作為硅芯片的力學(xué)固定支撐彈性敏感元件并且使硅芯片與封裝絕緣，而PYREX玻璃環(huán)的孔恰好成為了傳感器的參考壓力腔體和電極引線(xiàn)腔體。其結構如圖3所示。

　　圖3敏感元件封裝

　　如圖3的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進(jìn)壓的腔道后成為一個(gè)可安裝的壓力測量前端，見(jiàn)圖4。

　　圖4可安裝的壓力測量前端

　　此封裝技術(shù)可以承載至少15 MPa的壓力，若經(jīng)特殊處理可承載100 MPa的壓力。