面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)

卞麗情

（廣州應(yīng)用科技學(xué)院，廣州 511370）

0 引言

傳感器是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中最具有代表性的成就之一，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)地位相同。傳感器應(yīng)用范圍廣泛，幾乎可以應(yīng)用在所有領(lǐng)域和行業(yè)，如在航空航天領(lǐng)域，加速度傳感器、陀螺儀等被用于慣性導(dǎo)航、空間姿態(tài)測(cè)定；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，生物傳感器、流體傳感器等被用于臨床化驗(yàn)、病理診斷；在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，溫濕度傳感器、氣體傳感器等用于監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的變化情況，判斷是否發(fā)生污染或者惡劣天氣。為滿足更為精細(xì)化的監(jiān)測(cè)工作要求，傳感器逐漸向著更為智能化、自動(dòng)化和微型化方向發(fā)展。該技術(shù)主要有三大部分組成，即微電路、微電機(jī)、微探測(cè)器。其中微探測(cè)器，也就是微傳感器，是微型化發(fā)展進(jìn)程中最常應(yīng)用的領(lǐng)域，其特征是敏感結(jié)構(gòu)的尺寸非常微小，尺寸僅在在μm級(jí)或者亞μm級(jí)，相較于與一般傳感器，體積只有幾十分之一甚至幾百分之一[1]。基于微傳感器用途不同，類型也不同，如電容式MEMS差壓壓力傳感器、磁場(chǎng)測(cè)量微傳感器、霍爾式磁性液體微壓差傳感器等等。基于此，本研究選取一種常用的自動(dòng)化壓力測(cè)量傳感器作為對(duì)象，進(jìn)行面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)研究。該設(shè)計(jì)分為兩部分，即理論設(shè)計(jì)和應(yīng)用測(cè)試部分。前者主要包含敏感膜片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、傳感器接口電路設(shè)計(jì)以及工作程序設(shè)計(jì)等幾個(gè)模塊。后者按照前者設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)體傳感器制作，并測(cè)試使用效果是否達(dá)到預(yù)期，判斷是否能夠投入使用。通過本研究以期為微傳感器生產(chǎn)與制造提供參考，促進(jìn)微機(jī)械電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 面向微機(jī)械電子技術(shù)的微傳感器設(shè)計(jì)方案

微機(jī)械電子技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的典型代表，即在保有部件功能的基礎(chǔ)上，將部件縮小化，并能夠集成封裝，嵌入進(jìn)其他設(shè)備當(dāng)中，作為測(cè)量設(shè)備的身份存在，用于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。根據(jù)所應(yīng)有場(chǎng)合，微機(jī)械電子系統(tǒng)當(dāng)中的微傳感器類型不同，本研究以壓力傳感器為對(duì)象，進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。壓力傳感器是基于壓阻效應(yīng)并結(jié)合歐姆定律來(lái)估算壓力值的。當(dāng)外界給予半導(dǎo)體材料（敏感膜片）一定壓力時(shí)，該材料會(huì)發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變，而應(yīng)變會(huì)帶動(dòng)電阻同時(shí)發(fā)生變化，這時(shí)電橋失去平衡，就會(huì)即可輸出相應(yīng)電壓值，然后再利用歐姆定律就可以換算出實(shí)際壓力值[2]。

電阻變化數(shù)學(xué)公式表示如下：

當(dāng)半導(dǎo)體材料（敏感膜片）未受到力的影響前，4個(gè)電橋一直處于平衡狀態(tài)，這時(shí)的輸出電壓=0。其公式表示如下：

式中，R1、R2、R3、R4代表惠斯頓電橋4個(gè)橋臂的電壓值。

而外界給予半導(dǎo)體材料（敏感膜片）一定壓力時(shí)，與之相連的電橋?qū)⑹テ胶猓@時(shí)電壓輸出表示公式：

當(dāng)R1、R2、R3、R4都等于相同一個(gè)值時(shí)，可以簡(jiǎn)化為：

式中，Vi為供電電壓。

在設(shè)計(jì)前，了解微型壓力傳感器的結(jié)構(gòu)組成是十分必要的，即敏感膜片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、傳感器接口電路設(shè)計(jì)、傳感器工作程序設(shè)計(jì)。基于微型壓力傳感器組成結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)部分，即敏感膜片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、傳感器接口電路設(shè)計(jì)以及工作程序設(shè)計(jì)。下面對(duì)這些設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行具體分析。

1.1 敏感膜片設(shè)計(jì)

敏感膜片是自動(dòng)化測(cè)量傳感器中最關(guān)鍵的組成部件，能直接感受被測(cè)量，是外界力的唯一接觸者，也是電壓輸出的根源[3]。敏感膜片，實(shí)際上就是一種彈性薄膜，具有很好的應(yīng)變能力。該膜片的設(shè)計(jì)方法主要有四種，即硅微加工技術(shù)、鍵合技術(shù)、LIGA技術(shù)、準(zhǔn)分子激光技術(shù)。在這里，選擇硅微加工技術(shù)中的MEMS刻蝕工藝進(jìn)行敏感膜片設(shè)計(jì)，具體過程如下：

步驟1：選擇敏感膜片的襯底，也就是敏感元件的承載部分。在這里選擇單晶硅作為敏感膜片的襯底。

步驟2：?jiǎn)尉Ч杼幚怼Ｃ舾心て闹谱餍枰_保單晶硅片無(wú)任何損傷，需要進(jìn)行打磨和拋光，之后還需要進(jìn)行清洗，去除附著在表面的雜質(zhì)。之后，等待刻蝕。

步驟3：刻蝕有源標(biāo)記，也就是制備對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與劃片框；

步驟4：沉積掩蔽層，也就是在單晶硅片上覆蓋一層保護(hù)膜；

步驟5：開壓敏電阻與歐姆接觸區(qū)，也就是在硅片背面去掉部分硅，形成腔體；

步驟6：接觸區(qū)注入離子，形成壓敏電阻條；

步驟7：標(biāo)準(zhǔn)清洗單晶硅片；

步驟8：沉積一層SiO2，作為隔離層；

步驟9：采用磁控濺射技術(shù)在玻璃片上濺射出Ti-Pt-Au，形成電極板；

步驟10：光刻出電極孔區(qū)和引線區(qū)圖形；

步驟11：降低單晶硅片的厚度；

步驟12：將硅片與玻璃鍵合在一起；

步驟13：封裝。為保證敏感芯片不受外界環(huán)境的侵蝕，保證其靈敏度和準(zhǔn)確度，需要利用隔離膜片將敏感膜片與被測(cè)介質(zhì)分隔開來(lái)，以免受污染和受損。

1.2 轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)

本研究中的自動(dòng)化測(cè)量傳感器為微型壓力傳感器，其測(cè)量原理是基于壓阻效應(yīng)，因此壓敏電阻是傳感器的轉(zhuǎn)換元件。壓敏電阻是將敏感膜片感受到應(yīng)變力轉(zhuǎn)換為電阻值，進(jìn)而結(jié)合給出的供電電壓，轉(zhuǎn)換為電壓的電信號(hào)，因此壓敏電阻設(shè)計(jì)至關(guān)重要[4]。壓敏電阻設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)，即摻雜必須要保持一致性；電橋要設(shè)計(jì)成開環(huán)形式；摻雜類型和摻雜濃度的選擇。

1.3 信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的作用是進(jìn)行信號(hào)放大調(diào)制和濾波，提高信號(hào)質(zhì)量[5]。圖1為自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路。

圖1 自動(dòng)化測(cè)量傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖

1.4 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器主要為微機(jī)械電子系統(tǒng)的一部分，因此傳感器必然需要與外部其它器件進(jìn)行連接使用，因此傳感器接口設(shè)計(jì)是否合理，直接到傳感器采集到的數(shù)據(jù)是否能夠被利用[6]。圖2為所設(shè)計(jì)傳感器與外界設(shè)備的接口電路圖。

圖2 傳感器接口電路設(shè)計(jì)圖

傳感器接口，也被稱為管腳，它是電路內(nèi)部與外圍設(shè)備連接的接口，所有的引腳就是這傳感器的接口。在圖3中，傳感器管腳有14個(gè)，每個(gè)管腳所起到的功能各不相同。表1為傳感器各個(gè)接口電路的管腳功能。工作提供邏輯指導(dǎo)。傳感器工作程序，即傳感器采集數(shù)據(jù)的過程。采集程序步驟如下：

表1 傳感器各個(gè)接口電路管腳功能表

步驟1：初始化敏感芯片；

步驟2：初始化各個(gè)電路；

步驟3：等待采集命令；

步驟4：判斷采集命令是否到達(dá)？若到達(dá)，則進(jìn)入下一步；否則，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，并回到上一步驟；

步驟5：傳感器感知被測(cè)量量；

步驟6：利用轉(zhuǎn)換元件將測(cè)量量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

步驟7：利用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)進(jìn)行放大以及濾波處理；濾波傳感器完成采集任務(wù)后，十分重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)閭鞲衅鞑杉降某跏夹畔⒅邪舜罅康脑肼暎瑢⒂杏玫男畔⒘垦谏w住，因此必須要進(jìn)行濾波，因此利用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行濾波是必不可少的；

步驟8：是否到達(dá)采集時(shí)間？若到達(dá)，則進(jìn)入中斷程序；否則，發(fā)送采集到的接收端；

步驟9：是否進(jìn)入下一輪采集？若進(jìn)入下一輪采集，則回到步驟5；否則，等待關(guān)機(jī)命令，關(guān)閉整個(gè)傳感器系統(tǒng)。

2 傳感器性能檢測(cè)

面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器理論設(shè)計(jì)完成后，還需要按照設(shè)計(jì)方案制成成品，以對(duì)傳感器性能進(jìn)行驗(yàn)證，判斷設(shè)計(jì)中存在的問題，并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

2.1 傳感器材料準(zhǔn)備

根據(jù)上述自動(dòng)化測(cè)量傳感器理論設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備相關(guān)材料，為一種微型壓力傳感器制備做準(zhǔn)備。傳感器制備材料如圖3所示。

圖3 傳感器制備材料

1.5 傳感器工作程序設(shè)計(jì)

上述幾個(gè)章節(jié)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)屬于硬件范疇，除此之外，還需要為其編寫和設(shè)計(jì)工作程序，為其

2.2 自動(dòng)化測(cè)量傳感器組裝

將圖3中這些材料組裝在一起，制備成自動(dòng)化測(cè)量傳感器成品。由于后續(xù)檢測(cè)內(nèi)容不同，因此采用6份相同材料制備6個(gè)成品受試體，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)化測(cè)量傳感器成品示意圖

制備的好的自動(dòng)化測(cè)量傳感器成品預(yù)期達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)如下：

精 度：≤%F?S ±0.1；

非線性：≤%F?S ±0.1；

遲滯性：≤%F?S ±0.1；

重復(fù)性：≤%F?S ±0.1。

2.3 傳感器測(cè)試方案

傳感器測(cè)試項(xiàng)目主要包括6個(gè)，即精度、可靠性、靈敏度、非線性度、遲滯特性、重復(fù)性。下面對(duì)這六個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行具體分析。

1）精度測(cè)試

精度，即傳感器采集到的量值與實(shí)際作用在傳感器上的壓力值之間的誤差。測(cè)試裝置為一臺(tái)萬(wàn)能壓力測(cè)試機(jī)，將設(shè)計(jì)的傳感器放到測(cè)試機(jī)下壓板的正下方，然后設(shè)置不同的壓力施加值（5MPa、10MPa、15MPa和20MPa），重復(fù)試驗(yàn)10次，取絕對(duì)平均值，最后與實(shí)際壓力值進(jìn)行差值計(jì)算，并取驗(yàn)證差值P是否≤%F?S±0.1。精度測(cè)試檢驗(yàn)場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 精度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

2）可靠性

傳感器可靠性檢測(cè)是指檢測(cè)接口的密封程度，也就是是否存在漏氣和漏電的現(xiàn)象。針對(duì)上述兩種現(xiàn)象，測(cè)試裝置分別為壓力測(cè)漏儀和兆歐表。前者合格標(biāo)準(zhǔn)為平均值≤所施加穩(wěn)定壓力值的0.05%，認(rèn)為接口不存在漏氣問題；后者合格標(biāo)準(zhǔn)為絕緣電阻值≥50兆歐，認(rèn)為接口不存在漏電問題。

3）靈敏度S

靈敏度是指?jìng)鞲衅麟S著輸入量變化而導(dǎo)致輸出量變化程度。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來(lái)自圖5裝置測(cè)量所得數(shù)據(jù)。靈敏度計(jì)算公式如下：

式中，C代表傳感器輸出量的增量；g代表傳感器的初始電壓值與電極之間的距離；C0代表傳感器初始電壓值；Pm代表膜片中心最大撓度等于常數(shù)d時(shí)的最大壓力。P代表外界氣體的壓強(qiáng)。

4）非線性度RL

非線性度是指按照時(shí)間序列，自動(dòng)化測(cè)量傳感器輸出的測(cè)量值繪制的曲線與實(shí)際壓力曲線之間的擬合偏差。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來(lái)源同上。度量公式如下：

式中，ΔLmax代表自動(dòng)化測(cè)量傳感器輸出的測(cè)量值繪制的曲線與實(shí)際壓力曲線之間的最大偏差；FYS代表滿量程輸出電壓值。

5）遲滯性YH

遲滯性是指全量程范圍內(nèi)，在同一試驗(yàn)點(diǎn)輸入值增加和減少時(shí)，二者輸出電壓值之間的最大差值。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來(lái)源同上。度量公式如下：

式中，ΔCmax代表測(cè)試范圍內(nèi)壓力傳感器的最大遲滯誤差。

6）重復(fù)性F

相同測(cè)試條件下，連續(xù)多次測(cè)量結(jié)果之間的符合程度。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來(lái)源同上。公式如下：

式中，a代表貝塞爾標(biāo)準(zhǔn)差：

2.4 結(jié)果與分析

所設(shè)計(jì)微型壓力自動(dòng)化測(cè)量傳感器檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 自動(dòng)化測(cè)量傳感器性能檢測(cè)結(jié)果

將表2與上述傳感器檢測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，得出的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果均在合格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，由此證明所設(shè)計(jì)的傳感器達(dá)到預(yù)期，可以被用于實(shí)際壓力測(cè)試中。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，傳感器用途廣泛，可以用于各種參數(shù)的測(cè)量和檢測(cè)工作，極大地方便了人們的數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)。然而，隨著傳感器技術(shù)的深入研究，傳感器逐漸向著更加微型化發(fā)展，用于更加精細(xì)測(cè)量。本研究主要對(duì)傳感器的敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及各種電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并針對(duì)設(shè)計(jì)好的傳感器成品進(jìn)行性能檢驗(yàn)，判斷是否符合產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)檢驗(yàn)，傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均合格，認(rèn)為該傳感器設(shè)計(jì)合理，具有應(yīng)用前景。然而，本研究在檢測(cè)部分均是在理想的環(huán)境中進(jìn)行的，而傳感器實(shí)際工作環(huán)境較為惡劣，因此得出的檢測(cè)結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定的誤差，這有待進(jìn)一步分析和檢測(cè)，從而進(jìn)一步優(yōu)化所設(shè)計(jì)傳感器的性能。