微型傳感器家族新成員-微型接近傳感器

利用MEMS（Micro Electromechanical System，微機電系統）技術(shù)制作的微型傳感是近年來(lái)傳翕器發(fā)展的主流之一，特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、功能集成高和可靠性高等。其制造過(guò)程利用了半導體業(yè)較為成熟的工藝，能實(shí)現與之類(lèi)似的大批量、高精度加工。目前，已研制出的微型傳感器種類(lèi)繁多，其中壓力、加速度、磁（霍爾效應）、溫度、光學(xué)（CCD）等傳感器已有成熟商品問(wèn)世。本文則將以Xiaofeng Yang(Advanced Micro Machines公司)等人研制的一種單片式傳感器為例，介紹微型接近傳感器這一微型傳感家庭的新成員。

用途及基本原理

這種表型傳感器主要用于為最終用戶(hù)的產(chǎn)品提供一種檢測其是否被移動(dòng)、改動(dòng)或摔打過(guò)的手段，它應該滿(mǎn)足功耗低、可靠性高、不易損壞和價(jià)格低廉（低于1美元）等要求。該產(chǎn)品應始終保持對突發(fā)干擾作出響應的能力，即使用戶(hù)產(chǎn)品數年口未受任何干擾。有鑒于此，設計者決定采用電容式接近敏感原理。

接近傳感器目前所采用的原理有電感式、磁式、光學(xué)式、超聲式和電容式等。電容式接近傳感器的敏感元件由導電極板系統組成，可被視為一個(gè)或一組電容，附近出現或經(jīng)過(guò)的導電體和介電體改變極板系統中的靜電場(chǎng)分布，從而改變敏感元件的電容。信號處理電路檢測出這種變化，就可以檢測出目前物體的接近。相比之下，電容式傳感器的結構較為簡(jiǎn)單，工作阻抗高（10kHz時(shí)1pF電容的阻抗為16.3×106Ω），因而功耗較低，此外通過(guò)鎖頻或頻譜擴展載波調制技術(shù)，可以使之不受寄存或有意的干擾影響。其他方案則很難達到設計者的要求。例如，機械開(kāi)關(guān)的穩定性和可靠性較差；磁敏感方式功耗過(guò)大，也容易受外磁場(chǎng)的影響；光學(xué)式和超聲式傳感器的結構較為復雜，容易受外界干擾。

結構設計與工作原理

普通電容式接近傳感器的敏感元件常常由印制電路板（PCB）上的銅箔構成，其形狀必須根據用戶(hù)的具體應用來(lái)設計。而為了實(shí)現即插即用，該新型傳感器試采用SOIC的封裝形式，將敏感結構和信號處理電路制作在同一芯片上、封裝在一起，以方便各類(lèi)用戶(hù)使用。

由于小引腳數的塑料封裝IC（如SOIC-16）的成本主要取決于硅芯片的面積，因此最早的方案是利用SOIC的引線(xiàn)框架（leadframe）構成敏感元件。與一般小尺寸敏感結構設計中電極幾何結構可以自由選取不同的是，引線(xiàn)框架必須能在IC封裝的全過(guò)程中為內部的所有元件提供機械支撐。設計者利用 ANSOFT電磁場(chǎng)有限元分析軟件對若干設計方案進(jìn)行 分析，最后確定了如圖1所示的SOIC-16結構，其連線(xiàn)與粘在方形板上的傳感器管芯鍵合。

設計者利用FR-4PCB制作了一個(gè)分立的元件進(jìn)行驗證。測試結果證明計劃采用的小尺寸電容敏感結構是有效的。此外還利用這一元件比較了固定頻率與頻譜擴展兩種信號處理方法，結果表明，后者可以獲得很好的抗干擾性，但前者也可得到所需的性能，且實(shí)現起來(lái)要簡(jiǎn)單得多。實(shí)驗也暴露出引線(xiàn)框架結構的兩個(gè)主要問(wèn)題：一是傳感器對其下方和上方的物體都有敏感作用，這樣，用戶(hù)在設計PCB時(shí)會(huì )受到一些限制，而且電路板清洗過(guò)程殘留的導電性污物會(huì )影響傳感器的性能；二是它與現有標準的封裝技術(shù)并兼容，而新式封裝工藝的開(kāi)發(fā)將大大增加成本。因此設計者放棄了這種方案，轉而采用在集成電路（IC）硅片上制作金屬電極的辦法，見(jiàn)圖2。

新敏感結構的電極被埋置在厚厚的一層環(huán)氧樹(shù)脂封裝劑下。原先的SOIC-16引線(xiàn)框架結構方案中，電極到環(huán)氧樹(shù)脂表面的距離約中，電極到環(huán)氧樹(shù)脂表面的距離約為0.7mm，電極尺寸大致為2×4mm。在新方案中，電極是沉積在管芯上的，因而必須考慮管芯厚度，故環(huán)氧樹(shù)脂覆層的厚度約為0.3～0.5mm。由于電極尺寸對于要求達到的敏感距離來(lái)說(shuō)很小，信號電路必須能分辨極小的電容變化（1～5fF，而1fF=10 -15F），而寄生電容高達50～100pF。為此，設計者運用了非平衡式差動(dòng)檢測方法，使用了兩個(gè)獨立的電容耦合，一個(gè)用于敏感，另一個(gè)起到參考作用，并對其進(jìn)行比較。

圖3 示出了敏感結構上方的電場(chǎng)分布示意圖。電極的結構使得敏感電場(chǎng)（驅動(dòng)電極與敏感電極之間的邊緣電場(chǎng)）有相當一部分超出IC封裝之外，而參考電容的電場(chǎng)主要限制在環(huán)氧樹(shù)脂層內。這樣前者容易受到目標物體的影響而發(fā)生變化，從而使敏感電容值發(fā)生變化，后者則幾乎不受外界物體的影響。在傳統的電容式接近傳感器中，采用參考電容的目的是糾正表面電導率因潮濕和玷污而增大帶來(lái)的影響。

當一個(gè)電接地的導電體接近傳感器表面時(shí)，它對外部敏感電場(chǎng)的吸收遠大于對參考電場(chǎng)的要吸收，因為傳感器電極與目標物體的電容耦合極?。╢F量級），幾乎在任何一種宏觀(guān)物體的自電容者可以使之被看作是“接地的”。

信號處理電路

設計者在最終確定采用何種電路之前，對兩種信號處理電路的結構進(jìn)行了模擬評估：一種是典型的同步檢測器（鎖定放大器，lock-inamplifier）電路；另一種BFGoodrich公司為該傳感器專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)電容電路。前者用雙極型工藝實(shí)現對可保證足夠的性能，而用CMOS工藝實(shí)現現時(shí)則不能令人滿(mǎn)意。后者在敏感、參考和寄生電容之間進(jìn)行電荷轉換操作，所得到的性能令人滿(mǎn)意，可以用現有的CMOS工藝方便地實(shí)現。