SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的設計與實現

高 峰，趙建立，李靜文

（南京盛業達電子有限公司，南京 211161）

SOI寬溫區微型智能壓力傳感器利用SOI材料硅氧化物隔離的材料特性，實現了硅基壓力敏感電阻與基片襯底之間的純物理隔離，解決了常規PN結隔離的硅基壓力傳感器在寬溫區范圍內（-55℃～+150℃）的兩端極限溫度下漏電流增加導致敏感元器件性能劣化，或由于環境干擾、電磁輻射等環境影響造成的傳感器精度、穩定性降低或失效影響傳感器性能的關鍵問題，使其具有高精度、寬溫區、抗輻射、微型化、穩定性好、無體硅閂效等特性，在工業過程控制、航空航天、物聯網等領域具有廣泛應用[4-6]。

1 SOI壓阻式壓力傳感器的基本原理

壓阻式壓力傳感器的基本原理是利用硅的壓阻效應，將被測壓力的變化轉換為敏感元件的電阻變化，然后通過轉換電路將電阻值的變化轉換為電壓輸出。當材料受到應力作用時，其電阻或電阻率發生明顯的變化的現象就叫做壓阻效應[7]。壓阻式壓力傳感器如圖1所示。

B，E間的電勢差UBE=0，電路無電壓輸出

B，E間的電勢差UBE≠0。根據此電路特性，將R1，R2，R3，R4制成為高精密半導體電阻應變片，利用其半導體壓阻效應，將壓力造成的機械變形轉換為電阻本身的阻值變化，進而改變電路中的電勢差UBE，以此來測量出壓力大小。

圖1 惠斯登電橋電路Fig.1 Wheatstone bridge circuit

由于壓力的原因，硅晶體的電阻發生變化，變化的大小與受到的壓力大小有關，同時與材料本身的壓阻系數有關。影響壓阻系數最主要的因素是環境溫度和擴散雜質表面的濃度。半導體硅、鍺材料中的壓阻效應比金屬材料中壓阻效應要大的多。

2 SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的工藝技術

SOI寬溫區微型智能壓力傳感器，包括傳感器殼體、安裝于該殼體的壓力敏感元件、調理該壓力敏感元件輸出信號的信號調理電路和引出該調理電路輸出信號的輸出電纜。

關于SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的工藝技術，本文主要介紹SOI敏感壓力芯片MEMS制造工藝技術、寬溫區SOI壓力傳感器芯體的封裝工藝技術及基于ASIC的SOI寬溫區壓力傳感器智能化溫度補償技術研究，SOI寬溫區微型壓力智能傳感器的批量化生產工藝流程設計。

2.1 SOI敏感壓力芯片的MEMS制造工藝技術

核心敏感芯片是采用SOI硅晶圓以MEMS制作工藝技術制作生產。用SOI材料研制耐高溫壓阻力敏感芯片的目的就是通過SiO2絕緣層將力敏芯片的檢測電路層與硅基底隔離開來，避免了高溫下檢測電路與基底之間的漏電流的產生，提高力敏芯片的耐高溫特性。

隨著時代的發展，無線網絡通信技術的應用范圍更加廣泛，這也給無線網絡環境的安全提出了更高的要求。當前無線網絡通信中采用的安全技術主要包括WPKI技術和IBC技術兩種。其中WPKI技術是在有線網絡PKI基礎上建立起來的，只對無線通信網絡中的無線環境部分進行了改進，所以WPKI技術在無線網絡通信環境中的應用局限性較大。而BIC則結合了無線網絡通信技術的特點，是一項專門針對無線網絡環境的安全技術。因此，未來無線網絡通信安全技術的發展也必將以IBC技術為主。

在SOI材料的頂層硅上制作硅敏感電阻元件，敏感電阻元件采用MEMS技術對應制作在硅壓阻效應區內，電阻器件采用金屬薄膜連接并組成惠斯登電橋陣列；以MEMS微機械加工工藝技術采用的各向異性腐蝕方法，在SOI基片的背面制作出周邊固支的彈性膜片，并通過陽極鍵合工藝，將玻璃圓片與硅晶圓背面剛性連接，構成壓力敏感芯片，實現耐高溫壓力敏感器件的設計制造。

2.2 寬溫區SOI壓力傳感器芯體的封裝工藝技術

本項目傳感器結構采用隔離密封全硬封結構。其特點是將敏感芯片裝配在金屬管座上并與外界感壓環境剛性隔離，采用半導體引線鍵合工藝使敏感芯片與管座電極連接，用波紋金屬膜片隔離敏感芯片與被測環境（介質），通過充灌液傳遞被測介質壓力到敏感芯片，完成敏感芯片對外界被測壓力的感測過程，同時敏感元件把感受的壓力利用芯片上的電阻器件根據壓阻效應在電流的激勵下，通過電橋將壓力信號轉變成電信號予以輸出，實現介質壓力的測量。

通過該工藝結構，避免了被測介質與敏感元件的直接接觸，在提高傳感器穩定性的同時提升其適應能力。

2.3 基于ASIC的SOI寬溫區壓力傳感器智能化溫度補償技術

在實際應用中，壓力傳感器會受到溫度的影響，導致溫度漂移和靈敏度漂移，它來源于半導體物理性質對溫度的敏感性。國內經常使用硬件補償和軟件補償兩類方法對壓力傳感器進行溫度補償。采用厚膜集成電路數字溫度補償技術和非線性修正技術，對壓力傳感器進行零位修正和溫度補償。

針對SOI寬溫區壓力傳感器開展基于專用集成電路（ASIC）的智能化算法研究。通過在-50℃～+150℃寬溫度范圍內測試SOI壓力傳感器壓力-輸出曲線，開展寬溫區溫度補償算法研究，利用商業化ASIC芯片實現SOI壓力傳感器的寬溫區溫度補償，實現智能化溫度補償及線性化輸出，如圖2所示。

圖2 基于ASIC的SOI寬溫區壓力傳感器智能化溫度補償技術Fig.2 SOI wide temperature region pressure sensor which based on ASIC temperature compensation technology

2.4 SOI寬溫區微型壓力智能傳感器的批量化生產工藝流程設計

基于MEMS的SOI寬溫區微型智能壓力傳感器，其制作過程包括前期核心敏感芯片的設計、核心敏感芯片的制備、敏感芯片選擇分析及MEMS加工篩選、寬溫區高精度的SOI傳感器芯體研制、研制滿足項目要求的寬溫區SOI傳感器產品、后期高精度SOI傳感器產品模塊實驗、系列化。

3 SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的結構性能

3.1 SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的結構

SOI寬溫區微型智能壓力傳感器主要由擴散硅壓力芯體、電路板、進壓頭、殼體、輸出接口五大部分組成。

3.1.1 壓力芯體

壓力芯體用于放大特定橋式傳感器和溫度校正傳感器信號。該設備提供數字傳感器偏移補償、靈敏度，由一個16位的溫度漂移和非線性RISC微控制器運行一個多項式校正算法。

圖3 壓力芯體的內部結構Fig.3 Pressure core internal structure

壓力芯體有3大模塊：放大模塊，控制模塊和輸出模塊。放大模塊里包含放大器、數據選擇器和AD轉換器，其主要功能是將MEMS電橋的毫伏信號放大以便處理；控制模塊包含信息存儲模塊、通信模塊和校準模塊，專門用來控制信號使其轉化為數字信號，并可以通過通信寫入數據；輸出模塊包含DA轉換器和PWM控制信號模塊，用來再將數字信號進行處理，然后將其轉化為工業標準信號輸出。

3.1.2 電路板

此電路的輸入信號為24 V直流電源、12 V直流電源和5 V直流電源。當采用24 V直流電源和12 V直流電源時，則用場效應管將電壓降至5 V左右給芯片供電；當采用5 V電源時，則只需要穩壓管便可使電路正常工作。

此電路的輸出信號則采用了工業標準4～20 mA的輸出特性。利用圖4中三極管，利用芯片輸出一定的電壓使得三極管工作在放大區，再利用基極電阻控制基極電流，從而可得到4～20 mA的集電極電流，因為集電極電流的大小是電流的大小與三極管放大倍數的乘積。根據后端電路的處理，加一些元器件便可以實現1～5 V，0～5 V和0.5～4.5 V的輸出，滿足工業上各種客戶的需求。

圖4 電路原理Fig.4 Principle diagram of the circuit

3.1.3 進壓接頭

針對客戶需求。公司設計了4種進壓頭，各自標識不同的螺紋形狀和六方尺寸，具體如圖5所示。

圖5 進壓頭設計方案Fig.5 Design of inlet pressure head

3.1.4 殼體及輸出接口

根據市場需求，公司設計了2種輸出接頭：派克接頭和直接引線接頭，每種接頭可用于對應的設備，2種接頭對應的設計圖紙和連接方式如圖6所示。

圖6 兩種輸出接頭設計圖紙和連接方法Fig.6 Design drawings and connection method of output connector

3.2 SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的性能指標

SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的性能指標如表1所示。

表1 SOI寬溫區微型智能壓力傳感器的性能指標Tab.1 Index of SOI wide temperature range the micro intelligent pressure sensor

4 結語

本文針對常規PN結隔離的硅基壓力傳感器在寬溫區范圍內（-55～+150℃）的兩端極限溫度下漏電流增加導致敏感元器件性能劣化，研發了一種基于MEMS的SOI寬溫區微型智能壓力傳感器。 該產品具有較寬的工作溫度（-50～150℃）、存儲溫度（-50～150℃）、高精度（綜合精度：0.1 級）、零點溫漂（±2%FS（Max））、靈敏度溫漂（±2%FS（Max））、穩定性好（長期穩定性：±0.2%FS/年）、結構緊湊、外形美觀等優良特性。

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