半導體壓力傳感器

秦慧嫻

【摘 要】微電子技術的應用與影響在我們的日常生活中隨處可見。在本文里，簡要地敘述了微電子技術的發展歷史和現狀，實際應用，發展趨勢和展望。隨著IC制造業的迅速發展，硅膜片式壓力傳感器及集成化壓力傳感器收到青睞，對其開發研制相當盛行。本文詳細介紹半導體壓力傳感器的原理與應用，增進對微電子技術的了解。

【關鍵詞】微電子技術；集成化；壓阻效應；RAM

一、微電子技術及壓力傳感器的發展歷史和現狀

19世紀末20世紀初的物理學革命，為微電子技術的產生奠定了理論基礎。半導體三個重要物理效應——光電導效應、光生伏特效應、整流效應的發現，量子力學的建立和材料物理的發展，都起到了理論推動作用。在半導體壓力傳感器中壓阻式是最普及的一種。最近開發研制出一種新型壓阻式壓力傳感器，由雙SOI（絕緣體上外延硅）結構和4端子壓阻元件構成如圖1所示。SOI結構的特點是，用絕緣體覆蓋作為應變片的單晶硅電阻器，可減小高溫區的特性劣化，再用切斷應變片方式就能獲得提高溫度特性、提高靈敏度之成效。

（一）集成電路的發展

作為微電子技術的核心，集成電路（IC）經歷了小規模、中規模、大規模、超大規模階段如圖2-1，目前已進入甚大規模階段，其集成度不斷提高、功耗延遲積（優值）和特征尺寸不斷縮小、集成規模不斷增大。各方面的性能不斷優化，價格卻在不斷降低——如此一來，產品的升級換代不僅導致性能品質的提升，價格也變得越來越便宜，性價比不斷提高，在人類生活中也越來越受到歡迎，得到了廣泛的應用。集成電路的制造工藝主要包括以下內容。

目前，我們已經進入納米時代。0.25微米的CMOS工藝技術已進入大量生產，以該項技術制作出來的256Mb的DRAM和600MHz的微處理器芯片上，每片上的集成的晶體管數已經達到10～8-10～9數量級；10nm的器件已經在實驗室研制成功，相應的柵氧化層只有1.0-2.0nm；90nm-32nm工藝已進入規模生產，晶體管本身寬度只有30nm-50nm.微電子產業發展高速、輻射面廣，極大地影響了社會的方方面面，已經被列為是支柱產業之一【1】。

二、半導體壓力傳感器的定義及類型

（一）智能壓力傳感器的定義

所謂智能壓力傳感器就是一種帶有微處理器（單片機）的，兼有信息監測、信號處理、信息記憶、邏輯思維判斷功能的壓力傳感器【2】。顯然，智能壓力傳感器具有較強的信息處理功能的能力，這主要是通過未處理器的程序來完成的，也就是說智能壓力傳感器是硬件電路和軟件程序結合的產物【3】。因此，智能壓力傳感器是既有獲得信息的能力，又有信息處理功能的傳感器系統。智能傳感器具備學習、推理、感知及管理的功能。

（二）智能壓力傳感器的類型

智能壓力傳感器是微處理器和壓力傳感器的結合。因此，根據他們的實現途徑可分為：非集成化的智能壓力傳感器、集成化的智能壓力傳感器和混合型的智能壓力傳感器。非集成化的智能壓力傳感器是吧傳統的壓力傳感器、信號調節電路、帶數字總線接口的微處理器組合成一個整體，構成一個智能壓力傳感器系統。這種非集成化的智能壓力傳感器實際上就是在傳統的壓力傳感器系統上增加了微處理器的連接。因此，這是一種實現智能壓力傳感器系統最快的途徑和方式。

三、半導體壓力傳感器的原理

（一）系統構成

本系統的所有器件有：微處理器AT89V51、放大器INA118P、LM158、數模轉換芯片MAX187、通訊芯片MAX485、復位芯片X25045、點陣字符型液晶顯示模塊、數控電位器X9313及阻、容原件

（二）壓力測試

壓力是由壓力傳感器將測得的模擬信號送放大器INA118P放大處理，由LM158提供電源[5]。INA118P放大的信號無凋零作用，需要再經過放大器LM158進行調整。該信號通過MAX187轉換成數字信號，由AT89C51進行數據處理。

（三）溫度補償

系統的溫度測量、溫度補償是由溫度測量芯片AD590直接測得并輸出模擬電壓，通過MAX187轉換成數字信號傳給AT89C51.進行數據處理。

（四）數據處理

數據處理采用微處理器AT89C51。數據轉換芯片MAX187是輸入跟蹤、保持和逐步逼近寄存器構成的電路，它將輸入的模擬信號轉換為12位數字信號輸出。T/H不需要外部的保持電容。MAX187在10μs中變換0V至VREF范圍內的輸入信號，其中包含T/H的采集時間。MAX187的內部基準調整到1.096V，亦可以接受從+2.5V至VDD的外部基準電壓。串行接口只需要三個數字線CS/SCLK和DOUT。

四、微電子技術的發展趨勢和展望

微電子作為一個非常有活力的領域，依然在不斷快速發展。一些技術已經投入應用，在社會各個方面為人類提供便利；而另一些技術還處于試驗階段，有待科學家們的繼續研究。目前，微電子領域的前沿技術包括微電子制造工藝、微電子材料的研究、超大規模集成電路的設計以及MEMS技術等。微加工工藝是制造MEMS的主要手段，IC制造技術含（如光刻、薄膜淀積、注入擴散、刻蝕等）、微機械加工技術（如犧牲層技術、各向異性刻蝕、雙面光刻以及軟光刻技術等）和特殊微加工技術。目前微電子的制造工藝采用光刻和刻蝕等微加工方法，將大的材料制造為小的結構和器件，并與電路集成，實現系統微型化。對半導體材料的研究也是微電子領域的熱門。由最原始的元素半導體（鍺、硅、硒、硼、銻、碲），到化合物半導體（砷化鎵、磷化錮、銻化錮、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等），乃至熱門的有機半導體和無定型半導體。

【參考文獻】

[1]蔣燕燕.微電子技術的現狀與未來展望

[2]晏伯武，兆春 微電子技術發展與展望

[3]張興，黃如，李曉彥微電子學概論（第二版）