基于面向微機械電子技術的自動化測量傳感器設計研究

張文豪

(東北林業大學，黑龍江哈爾濱，150040）

0 前言

作為檢測裝置的一種，傳感器在各個行業和領域的發展中發揮著重要的作用。傳感器的合理設計是能夠有效實現檢測和控制系統自動化的重要前提，微機械電子技術是傳感器設計的重要組成部分，對自動化測量傳感器進行設計，需要以微機械電子技術為主要的技術支撐。對基于面向微機械電子技術的自動化測量傳感器設計進行分析，能夠為自動化測量傳感器功能的完善提供借鑒的經驗。

1 傳感器與微機械電子技術

1.1 傳感器

電子信息技術的出現，為現代計算機網絡技術和電子信息工程奠定了發展的基礎。傳感器主要是基于電信號發展起來的，主要由敏感元件、轉換元件、變換電路以及輔助電源四個部分組成。這種檢測裝置能夠將被檢測到的信息轉換為電信號，或以其他形式輸出，用以滿足不同行業和領域裝置檢測的需要。從本質上來說，傳感器承擔著獲取物體信息的重要職責[1]。現階段，傳感器已經被廣泛的應用于工業生產、海洋探測、生物工程等多個領域，在未來的社會發展中，傳感器技術能夠作用于現代化的所有工程，間接推動社會的發展。

1.2 微機械電子技術

微機械電子技術是能夠應用于集成電路、機械零件制作的重要技術，也是制作傳感器的主要技術來源之一。這種技術在實際應用中能夠將制作的電路或零件盡可能的縮小，在保證電路能夠正常發揮功能的同時，形成可以用于大批量生產的、高度自動化、智能化的微電子機械系統[2]。該系統從本質上來說是一種機電系統，基于微機械電子技術而形成的微驅動器、微傳感器等都是現代社會發展中重要的儀器裝置。因而微機械電子技術也擁有廣闊的發展前景。

2 基于面向微機械電子技術的自動化測量傳感器設計方案分析

傳感器是一種檢測物體狀態的裝置，這種裝置與通信技術和計算機技術，都是能夠促進現代社會發展必不可缺的內容。在工業生產逐漸朝著智能化、自動化發展的今天，傳感器的設計研發也要朝著自動化的方向發展，才能夠更好的發揮其檢測的作用[3]。自動化測量傳感器是微傳感器的一種，微機械電子技術是傳感器設計研發的主要技術之一，面向微機械電子技術來對自動化測量傳感器進行設計，不僅能夠提高傳感器的設計水平，為微傳感器的設計提供借鑒的經驗，還能夠有效促進微機械電子技術在現代社會的發展。在對基于面向微機械電子技術的自動化測量傳感器進行設計時，主要可以從以下幾個方面來入手。

2.1 設計原理

微機械電子技術在傳感器中的應用，主要發揮的是數據采集和監測的作用，該技術能夠將微傳感器的內部部件縮小，在集成封裝之后，將其嵌入到其他設備當中，并且不會對原有裝置的性能產生影響。由于不同的行業和領域應用的傳感器類型也有所區別，本文中的設計方案以壓力傳感器為主。微傳感器的設計和研發是以集成電路為基礎的，微機械電子技術則主要應用半導體技術，因而在對壓力傳感器進行設計時，可以模擬出整個傳感器的工作流程，對傳感器承受的壓力值、輸出電壓等數值進行計算。

在基于面向微機械電子技術的自動化測量傳感器進行設計時，首先要明確自動化測量傳感器的結構組成，即敏感膜片、轉換元件、信號調節轉換電路、傳感器接口電路、傳感器工作程序五個部分。當外界的壓力傳遞到傳感器中時，敏感膜片的電阻會發生變化，電橋也會失去平衡。在這種情況下，利用歐姆定律就可以計算出傳感器實際承受的壓力值。這個過程應用的電阻變化數學公式為：

其中，ΔR/R代表壓敏電阻變化率，π1π2代表橫縱壓阻系數，σ1σ2代表橫縱應力。除此之外，還要對傳感器未受到壓力的變化情況進行實驗和計算，并依據公式來計算出傳感器的輸出電壓。

2.2 敏感膜片設計和轉換元件設計

敏感膜片是傳感器的重要組成部分，是傳感器中唯一能夠被直接檢測的部件，該部件在實際設計研發中以硅微加工技術、鍵合技術、LIGA技術和準分子激光技術為主要的設計方式。本文中主要采取硅微加工技術來對敏感膜片進行設計。敏感膜片的設計具體分為選擇襯底、單晶硅處理、刻蝕有源標記、覆蓋保護膜、形成腔體、壓敏電阻條、清洗、沉積、電極板、光刻、降低厚度等步驟，在對其進行設計時，不僅要嚴格保證每一步驟都符合標準要求，還要盡量避免受到污染和損壞，影響敏感組件的性能。

傳感器中應用的轉換元件，實質上就是壓敏電阻，因而在對轉換元件進行設計時，最主要的就是要依據傳感器的測量原理，對摻雜的類型和濃度進行選擇，并保證電橋設計成開環形式，才能夠更好的保證轉換元件發揮作用。

2.3 信號調節轉換電路設計

傳感器在實際工作中主要是將檢測到的信息轉換為電信號，再按照檢測的需求進行輸出，用以滿足物體的檢測需要。信號調節轉換電路的作用主要是將傳感器接收到的信號進行放大調制，提高信號的轉換和輸出質量。在對傳感器中的信號調節轉換電路進行設計時，如圖1所示，不僅要盡量保證系統線路的運行安全，還要能夠盡量保證傳感器內部各個零部件的正常運行。

圖1 自動化測量傳感器的信號調節轉換電路設計圖

2.4 傳感器接口電路設計

傳感器是微機械電子系統中的一部分，在實際應用中，需要與其他裝置連接起來，才能夠更好的發揮其價值。因而在對傳感器進行設計時，還要重點關注傳感器接口電路的設計是否合理。在對傳感器的接口電路進行設計時，基于每個具體的接口電路的使用功能不同，接口電路的設計方式也存在著一定的差異。以本文設計中的壓力傳感器為例，該傳感器在設計中主要涉及到的接口共14個，主要包括接地、電路公共接地端電壓、接入電路電壓等14個不同的功能，因而在對傳感器的接口電路進行設計時，也要充分考慮到這些不同功能會對電路設計造成的影響。

2.5 傳感器性能檢測

本文中設計的自動化檢測傳感器類型為壓力傳感器，因而在對傳感器的精度進行檢測時，主要應用的是萬能壓力測試機。將傳感器放置在測試機壓板的正下方，調節測試機的壓力值，對傳感器在不同壓力值下產生的實際壓力值進行差值計算，用以檢驗傳感器的精度。

在對傳感器的可靠性進行檢測時，主要需要檢測傳感器接口的質量和密封情況，對可靠性進行檢測的主要目的，就是檢查傳感器在實際應用中是否會產生漏氣或漏電的現象。可靠性的檢測主要依據的是壓力測漏儀和兆歐表。

在對傳感器的靈敏度、非線性度以及遲滯性進行檢測時，需要分別對傳感器在應用中產生的壓力變化量、電壓輸出變化量、測量值曲線與壓力曲線的擬合偏差等數值進行計算，在得出具體的數值之后，將其與傳感器規定的設計和生產標準進行對比，就可以完成對傳感器質量和性能的檢測。現階段，傳感器已經被廣泛的應用于社會生活的多個領域，對自動化檢測傳感器進行設計研發，不僅是現代社會各個行業和領域的發展要求，同時也是滿足人們生活需求的重要途徑。