1、第 1 页 共 29 页压阻式压力传感器的设计与应用摘 要压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。论文中介绍了国内外研究现状，分析了补偿方法，同时介绍了现代信号调理技术的发展。本论文应用智能化的模拟一数字混合信号调理技术，采用 MAX1457.经调理后的传感器综合误差不超过 0.1 %。MAX1457 是一种专用传感器信号调理芯片。此芯片集成化程度较高，可以补偿硅压阻式压力传感器的温度误差和非线性误差。论文首先介绍了 MAX1457 芯片的结构，分析了芯片的设计思路
2、，在结合压力传感器自身特点的基础上，对传感器进行了一系列的调理，并介绍了相关的硬件电路及软件的核心代码。关键字：压阻式压力传感器，信号调理，MAX1457第 2 页 共 29 页Piezoresistive pressure sensor design and applicationAbstractPiezoresistive pressure sensor utilized piezoresistive effect of semiconductor material made of silicon sensor, and characterized in high sensitivity,
3、 fast dynamic response,high accuracy, good stability, wide operating temperature range, and easy-to-small and Miniaturization.This paper presents current research status domestic and overseas, and analyzation of compensation method, also modern signal conditioning technology.In this thesis, intellig
4、ent analog mixed-signal conditioning technology is adopt by using MAX1457. The post-conditioning sensor integrated error is less than 0.1%. MAX1457 is a special sensor signal conditioning chip.High integration level chip can compensate for silicon piezoresistive pressure sensor error and nonlinearit
5、y error.First, The paper introduces structure of the MAX1457 in combination with pressure sensors on the basis of their own characteristics, and signal condition circuits, then describes hardware design and software codes relevant.Keywords: Piezoresistive pressure sensor, Signal conditioning, MAX145
6、71 绪论1.1 引言新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。传感器技术是当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，作为新技术革命和信息社会的重要技术基础，它与通信技术、计算机技术构成了信怠产业的三大支柱。压力传感器作为传感器大家庭中的一个主要成员，在实际中有着非常广泛的应用前景。其中利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的压阻式压力传感器具有
7、灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作第 3 页 共 29 页温度范围宽、易于小型化和便于进行批量生产，使用方便等特点，因而获得日益重要和广泛的应用，是发展非常迅速的一种传感器 1。由于半导体的特性参数会受温度的影响而变化，因而压阻式传感器受到温度的影响后，将会产生很大的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，这是压阻式传感器最大的弱点，在生产实践中，需要在成品传感器出厂时对其进行温度补偿。而压阻式压力传感器由于具有频响高,体积小，精度高，测量电路与传感器一体化等特点，相当广泛地应用在航天，航空，航海，石油，化工，动力机械，生物医学，气象，地质地震测量等各个领域。在各种传感器中，压力传感器是应
8、用最为广泛的一种。目前国内市场上硅压力传感器的量程都在 1kPa 以上，更低量程的产品要依靠国外进口，因此进行更低量程的硅压阻式压力传感器的研究，实现相关技术公关对于促进硅压阻式压力传感器技术提高和相关产业发展有着实际意义。针对国内外在硅压阻式压力传感器上的研究进展和产业化情况，从复合弹性元件的设计、芯片加工工艺、芯片无应力封装和后期动静态标定等方面指出了其深入研究方向压阻式压力传感器在汽车工业、航天工业和医疗卫生、军事等各个方面有着广泛应用 2。主要研究方向集中在：(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的硅压阻式压力传感器；（2）进一步提高灵敏度，实现低量
9、程的硅压阻式压力传感器；（3）提高工作温度，研制硅高温压力传感器；在空间探索、半导体加工等许多领域有着广泛的应用，譬如：火星气压的测量、半导体加工中的许多工艺步骤真空度的控制等。1.2 压力传感器的发展历程现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段 3:1发明阶段（19451960 年）：这个阶段主要是以 1947 年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体材料的这一特性得到较广泛的应用。史密斯与 1945年发现了硅和锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号
10、进行测量。此阶段最小尺寸大约为 1cm。第 4 页 共 29 页2技术发展阶段(19601970):随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的（001）或（110）晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能。3商业化集成加工阶段（19701980）：在硅杯扩散理论的基础应证了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性，加工技术，主要有 V 形槽
11、法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。4微机加工阶段（1980今）：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器，其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。1.3 国内外研究概括圧阻式压力传感器利用硅的良好的机械性能和电学性能，通过扩散或者离子注入的方法将力敏电阻注入到感压薄膜中实现了感压元件和转换电路的集成，其优点是输入和输出之间存在着良
12、好的线性关系，制作工艺相对简单，而缺点是硅力敏电阻应变计固有的温度敏感性造成传感器必须实行温度补偿，另外，感压薄膜内集成的惠斯登电桥进行信号转换给传感器的进一步微型化带来了挑战 4。圧阻式压力传感器几十年的发展主要围绕转换元件和感压元件展开：一方面将力敏电阻应变计做的更加精确和更稳定，另一方面，则是对感压薄膜的结构和加工技术进行改进。在这两者中，前者借鉴了如离子注入、精刻等大规模集成电路的现成技术，而后者成为了发展的焦点。为了做好感压薄膜的结构，人们发展了硅各向异性腐蚀、自停止腐蚀、硅一玻静电键合等硅微机械加工技术，而感压薄膜的结构本着应力集中的原则经历了平膜结构岛模结构梁模结构的大致发展第
13、5 页 共 29 页阶段。平模的设计加工比较方便，通常用来制作中高量程的硅压传感器。岛模结构中最流行的是 1977 年美国 Endevco 公司制作的双岛结构，它将力敏电阻应变计制作在 2 个岛之间以及岛与框之间的应力集中区，这样，在同等条件下可以获得较高的灵敏度。由于 4 个力敏电阻应变计都受到横向的应力，具有相似的非线性特性，构成全桥时，非线性可以互相抵消，因此，器件的非线性可以做的很小。岛膜结构适用于低量程压力的测量，利用双岛结构可以研制出量程在 10kPa 的硅微微压传感器。梁膜结构由复旦大学在 1989 年为实现量程为 1kPa 的硅压传感器而提出的结构，可以看成为一个正面的哑铃形梁
14、叠加在平膜上的结构，其结构特点时力敏电阻应变计制做作在应力集中的后梁区，这样，膜区的厚度不受力敏电阻应变计的限制，传感器的灵敏度就可以做的很高。梁膜中的典型代表另外还有美国 Honeywell 公司在 1992 年提出的 Ribbed and Bossed。结构和德国柏林技术大学提出的类似结构。1.4 课题来源及研究意义圧阻式压力传感器起源于硅传感器的发展 5，当 MEMS 技术迅速崛起之后，大大促进了硅传感器技术进步，各类硅传感器获得了商业化的广泛应用。圧阻式压力传感器是商业化的硅传感器的重要组成部分，在汽车工业、航天工业和医疗卫生、军事等各方面有着广泛应用。主要研究方向集中在：（1）将敏感
15、元件与信号处理、较准、补偿、微控制器等进行单片集成；（2）进一步提高灵敏度，实现低量程的硅压传感器；（3）提高工作温度，压制硅高温压力传感器；（4）开发硅谐振式压力传感器。在空间探索、半导体加工等许多领域有着广泛的应用，譬如：火星气压的测量、半导体加工中的许多工艺步骤真空度的控制等。目前，国内市场上圧阻式压力传感器的量程都在 1kPa 以上，更低量程的产品要依靠国外进口，因此，进行更低量程的压力传感器及硅压传感器的研究，实现相关技术攻关对于促进硅压力传感器技术的提高和相关产业发展有积极的意义。1.5 本文研究的内容1.5.1：研究硅压阻式压力传感器的工作原理；1.5.2: 设计桥式敏感元件的信
16、号调理与采样电路；第 6 页 共 29 页1.5.3：采用 EDA 工具设计原理图与电路板；1.5.4：编制软件代码。1.6 传感器设计的主要结构框图2 圧阻式压力传感器原理与结构2.1 工作原理压阻式压力传感器是利用单晶体硅材料的压阻效应制成的 6。单晶体材料受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。根据欧姆定律，对于导体或半导体材料，其电阻 R 可用下式表示:R=L/A (2-1)式中 -半导体材料的电阻率；L-半导体材料的长度；A-半导体材料的截面积；微分后得： dR/R=d/+(1+2)dL/L (2-2)由半导体电阻理论可知：d/=E，则式（2-2）可写成：第 7
17、页 共 29 页dR/R=+(1+2)dL/L=（E+2）=K (2-3)式中 K=E+1+2-压阻系数；-应力；-泊松比；E-弹性模量；对于金属来说，E 很小，可以忽略不计，而泊松比 =0.250.5，故金属丝的灵敏度系数 Ko 近似为Ko=1+21.52对于半导体而言，E 比（1+2）大的多，故（1+2）可以忽略不计，而压阻系数 =（4080）10 m /N,弹性模量 E=1.6710 N/m，故Ks=E50100由此可见，Ks（50100）Ko此式表示，压阻式压力传感器灵敏度系数 Ks 要比金属丝应变计的灵敏度系数大50100 倍。由于半导体材料 比(1+2)大很多，因而其电阻相对变化可
18、写为R/R=/= （2-4）式（2-4）说明，半导体材料电阻的变化率R/R 主要是同P/P 引起的，这就是半导体的压阻效应。在弹性形变限度内，硅的压阻效应是可逆的，即是说在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值.2.2 压阻式压力传感器的结构早期的压阻式压力传感器是体型压力传感器 7(又称半导体应变计式压力传感第 8 页 共 29 页器)，它是利用硅单晶切割加工成薄片矩形条，焊接上电极引线，粘贴在金属或者其他材料制成的弹性元件上形成的，当弹性体受压力后便产生应力，使硅受到压缩或拉伸，其电阻率发生变化，产生正比于压力变化的电阻信号输出。随着集成电路技术的迅速发展，
19、这种半导体应变计式压力传感器后来发展成为用扩散方法在硅片上制造电阻条，即扩散硅压力传感器(又称固态压阻式压力传感器)。它是在 N 型硅片上定域扩散 P 型杂质形成电阻条，连接成惠斯通电桥，制成压力传感器芯片。本文我们主要是以扩散硅压力传感器为研究对象。fzl 扩散硅压力传感器的结构如图 2-2a 所示。其核心部分是一个圆形的硅膜片见图 2-2b，在沿某晶向切割的 N 型硅膜片上扩散四个阻值相等的 P 型电阻，构成平衡电桥，使电桥的相邻桥臂的电阻变化方向相反，即分别受拉伸力和压缩力。沿晶向的电阻排列见图 2-2c.硅膜片周边用硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部为低压腔，通常与大气相通
20、。在被测压力 P 作用下，膜片产生应力和应变，P 型电阻产生压阻效应，其电阻发生相对变化。膜片上各点的应力分布为:1=3p/8h 2(1+)r-(3+)x (2-5)2=3p/8h 2 (1+)r-(1+3 )x (2-6)式中 1径向应力；2切向应力；膜片材料的泊松系数，对硅 =0.35；p膜片承受的压力；r、x膜片有效半径、计算点半径；h膜片厚度；第 9 页 共 29 页图 a 扩散硅压力传感器的结构图 b 圆形的硅膜片第 10 页 共 29 页图 c 沿晶向的电阻排列图 2-2 压阻式压力传感器的结构图 2-2-1 为 1、2 和 x/r 的关系图。可以算出 1 在 x/r=0.635 时为零值。四个 P 型电阻沿晶向并分别在 x=0. 635r 处的内外排列，在 0. 635r 之内的电阻承受的 1 为正值，在 0. 635r 之外的电阻承受的 1 为负值。图 2-2-1 平膜片的应力分布图
