测控技术与仪器毕业论文范文压阻式压力传感器的设计与应用.docx

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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%。

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，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

Piezoresistivepressuresensordesignandapplication

Abstract

Piezoresistivepressuresensorutilizedpiezoresistiveeffectofsemiconductormaterialmadeofsiliconsensor,andcharacterizedinhighsensitivity,fastdynamicresponse,highaccuracy,goodstability,wideoperatingtemperaturerange,andeasy-to-smallandMiniaturization.

Thispaperpresentscurrentresearchstatusdomesticandoverseas,andanalyzationofcompensationmethod,alsomodernsignalconditioningtechnology.

Inthisthesis,intelligentanalogmixed-signalconditioningtechnologyisadoptbyusingMAX1457.Thepost-conditioningsensorintegratederrorislessthan%.MAX1457isaspecialsensorsignalconditioningintegrationlevelchipcancompensateforsiliconpiezoresistivepressuresensorerrorandnonlinearityerror.

First,ThepaperintroducesstructureoftheMAX1457incombinationwithpressuresensorsonthebasisoftheirowncharacteristics,andsignalconditioncircuits,thendescribeshardwaredesignandsoftwarecodesrelevant.

Keywords:

Piezoresistivepressuresensor,Signalconditioning,MAX1457

1绪论

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。

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（1945—1960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进行测量。

此阶段最小尺寸大约为1cm。

〈2〉技术发展阶段（1960—1970）:

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（1970—1980）：

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。

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RibbedandBossed。

结构和德国柏林技术大学提出的类似结构。

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。

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号调理与采样电路；

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。

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

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=ρL/A（2-1）

式中ρ---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=dρ/ρ+（1+2μ）dL/L（2-2）

由半导体电阻理论可知：

dρ/ρ=πσ=πEε，则式（2-2）可写成：

dR/R=πσ+（1+2μ）dL/L=（πE+2μ）ε=Kε（2-3）

式中K=πE+1+2μ

π---压阻系数；

σ---应力；

μ---泊松比；

E---弹性模量；

对于金属来说，πE很小，可以忽略不计，而泊松比μ=~，故金属丝的灵敏度系数Ko近似为

Ko=1+2μ≈~2

对于半导体而言，πE比（1+2μ）大的多，故（1+2μ）可以忽略不计，而压阻系数π=（40~80）×10m/N,弹性模量E=×10N/m，故

Ks=πE≈50~100

由此可见，

Ks≈（50~100）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50~100倍。

由于半导体材料πσ比（1+2μ）大很多，因而其电阻相对变化可写为

△R/R=△ρ/ρ=πσ（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.

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，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<110>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。

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:

Σ1=3p/8h2×[（1+μ）r-（3+μ）x]（2-5）

Σ2=3p/8h2×[（1+μ）r-（1+3μ）x]（2-6）

式中Σ1——径向应力；

Σ2——切向应力；

μ——膜片材料的泊松系数，对硅μ=；

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；

图a扩散硅压力传感器的结构

图b圆形的硅膜片

图c沿<110>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Σ1、Σ2和x/r的关系图。

可以算出Σ1在x/r=时为零值。

四个P型电阻沿<110>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Σ1为正值，在0.635r之外的电阻承受的Σ1为负值。

图2-2-1平膜片的应力分布图

压阻式压力传感器的制造

硅压阻式压力传感器的硅压阻芯片是传感器的核心，应用集成电路技术制造硅杯式压阻芯片己经迅速发展为一项很成熟的技术[8]。

压阻式传感器的结构主要有敏感元件（俗称硅杯一形状像一只倒置的杯子，及壳体两大部分。

因此它的制造工艺可以概括成两大过程:

2.3.1硅杯制作

选取合适电阻率的单晶硅，进行定向一一切割一一双面磨抛，加工成一定形状一定厚度的衬底基片;在硅片正面扩散惠斯通电桥的四个电阻，而在背面腐蚀一定直径的杯孔，制作成硅杯，具体的制作流程为:

高温氧化一一光刻一一扩散一一蒸发一一合金一一腐蚀等[9]:

2.3.2封装工艺

首先对芯片进行电参数测试，选取合格的芯片，采用静电封接、低温玻璃烧结的方法将硅杯组装在壳体上;然后对传感器进行压焊、调零补偿:

最后对传感器表面进行保护处理。

由以上介绍的主要工艺流程可以看出，要制作一个各项参数指标完好的传感器，工艺是比较复杂的[10]。

制造压阻式传感器对工艺有一些必须遵守的特殊要求:

〈1〉为确保传感器的灵敏度和测量精度，要求硅膜片正面四个电阻所在的圆的平面与硅杯孔的圆有较好的同心度，这需要借助一些例如双面光刻、化学腐蚀等新工艺方法。

〈2〉采用离子注入技术制作电桥P型电阻条，可以提高传感器温度性能指标。

〈3〉用静电封接与低温玻璃烧结替代有机胶粘贴，可大大减小传感器的蠕变与滞后影响。

3调理电路的设计

MAX1457概述

MAX1457是MAX公司生产的一种高集成度应用于压力传感器的信号调理，是一个模拟传感器信号处理器，它是用混合信号CMOS技术在一个很小的面积上做成的ASIC。

适用于压阻式压力传感器的校准和补偿[11]。

MAX1457内部结构示意图及其引脚见图3.5.2.

MAX1457包括一个可编程的电流源，是用作传感器的激励。

一个可编程的放大器，一个12位的模数转换器，5个16位数模转换器，和一个运放。

MAX1457的五个D/A转换器的补偿系数存储在外部可编程的EEPROM中。

EEPROM中存储有满量程输出系数（FSO），满量程输出温度系数（FSOTC）,偏置（OFFSET）,偏置温度系数（OFFSETTC）,压力非线性修正系数（LD），等五种修正系数。

其中OD是调整零点位置，OTC进行温度漂移的补偿。

SD调整量程的大小，STC进行量程的温度补偿。

LD调整压力的非线性度。

MAX1457结构介绍及分析

主名词解释

MSB:

最高有效位

NSB:

中间有效位

LSB:

最低有效位

OD:

OFFSETDAC偏置系数

SD:

FSODAC满量程系数

OTC:

OFFSETTCDAC偏置温度系数

STC:

SPANTCDAC量程温度系数

LD:

linerityDAC线性系数

AA:

镜像电流增益

TC:

传感器工作温度下限

TH:

传感器工作温度上限

Vb:

电桥激励电压即V-bribge（随温度改变，决定量的大小）

VBBUF:

电桥激励电压的缓冲输出

Vbi:

理想的电桥激励电压（此时的量程为4.0V）

Ib:

传感器激励电流

PGA:

信号通道增益

AGND:

模拟地

Vout:

模块（传感器及MAX1457）的输出电压

Vmo:

零压力时模块的输出电压

Vmf:

满量程压力时模块的输出电压

模拟部分

MAX1457主要包括以下六个功能模块[12]:

〈1〉可编程增益放大器（PGA）

〈2〉可编程传感器激励电流源

〈3〉五个16位的数字/模拟转换器

〈4〉一个12位带数字增益和数字偏移修正的模拟/数字转换器，和一个可选的（maskprogrammable）两通道差分模拟开关，用于数字压力Vout和数字化的电桥电压VBBUF的输出。

〈5〉一个独立的通用运算放大器

〈6〉振荡电路和Bias（偏压）发生器

3.3.1可编程增益放大器（PGA）

可编程增益放大器（PGA），也称程控放大器[13]。

根据待测的模拟信号幅值大小来改变放大器的放大倍率。

在数据采集系统中，对输入的模拟信号一般要经过放

大，使模拟量适合于模数转换器的电压转换范围。

但是，传感器输出信号可能在

很大范围内变化，若使用固定增益放大器，就不能兼顾不同输入信号幅度的放大

量。

PGA器件能够很好地解决这个问题，因而在数据采集系统中被广泛使用。

可编程仪器放大器是全差分式，并且和一个三位可编程增益放大器、一个用

于漂移和漂移TC计算的加法电路以及一个单端差分缓冲器组合在一起。

另外，还用一个通用运算放大器来提高信号通道增益，或者驱动一个外部传感器。

图3.3.1是仪器放大器的功能方块图。

图3.3.1可编程增益放大器

3.3.2可编程传感器激励电流源

芯片上的电流源是以镜像电流实现的（如图3.3.2所示）。

FSOD/A转换器的输出电压决定了在管脚工ISRC（电流源参考电流）处流过电阻RISRC上的电流“I”。

另外，此电流还可以由反馈电阻RSTC（修正FSO温度系数）和RLIN（校正压力线性）进行修正。

然后，这个总电流i就能作为该镜像电流的参考，以它的乘积Ib=An*isxc设置电桥电流。

图3.3.2电桥驱动电路图

3.3.3数/模转换器

MAX1457含有五个16位的数/模转换器（D/Aconverter缩写为DAC）[14]，如图

3.3.3所示:

偏置系数转换器（OFFSETDAC）,量程系数转换器（FSODAC）,量程温度系数转换器CFSOTCDAC），偏置温度系数转换器（OFFSETTCDAC）,线性系数转换器〔LINDAC）。

每一个转换器都要有一个μF或大一些的旁路电容，使其正常运行。

其中FSOTCD/A和LIND/A能以缓冲器的形式输出，因此它们可以驱动外部的反馈电阻。

图3.3.3D/A结构示意图

3.3.4模拟/数字转换器

该MAX1457还有一个A/D转换器，如图3.3.4所示。

它具有16位的分辨率和12位的精度[15]。

一旦转换完成，就会依照状态机的状态生成一个16位数，然后该数减去一个12位的数字偏置，再分为N等份（N=1,2,4,8），这就是数字增益调节。

然后这12个最有效的数字即可作为输出。

图3.3.4A3.4.1从A/D中得到的这个12位数对于试验者是可视的，它有助于模拟通道中的校准。

该A/D数据输出的一部分用于产生一个地址，该地址指向外部EEPROM中的OTC或FSOTC的一个数据。

因此，从外部EEPROM中返回的数据是跟桥电压（温度）、VBBUF和Vout相关的。

3.4.2连接器

连接器是连接计算机并口与MAX1457测量模块的一个转换电路，这里只介绍简单功能。

该连接器通过四个EEPROM的管脚和MCS的使用来完成将数据分配到EEPRCM中去，同时监控来自MAX1457的数据。

MAX1457没有任何能被测试系统直接寻址的寄存器。

测试系统只能更新EEPROM中的数据，然后必须等待MAX1457在其正常的状态机活动时段内，载入来自EEPROM的值。

在没有来自转接器的驱动信号时，一个内部的50千欧的上拉电阻将把MCS置高。

也就是说，MAX1457在只加电源，而没有其它外部信号的情况下，MCS将置高，这一点对控制状态机非常重要，在软件部分将用到这一条件。

通过计算机的并口发指令给连接器，控制整个测量系统。

3.4.3配置寄存器

该数字功能部分还包括两个配置寄存器（CR）.CR1用于设置模拟信号通道的控制位和A/DVBBBFPGA的增益。

CR2用于设置A/D的控制位和数字增益及偏置。

CR1和CR2都是从外部的EEPROM中加载数据的。

为了能和以后的修改相兼容，所有的“保留”位，都必须由测试系统设置为“1”.

3.4.4数模转换器

MAX1457有五个16位的数字/模拟转换器。

数字功能部分是要从数据总线上获取数据，放到D/A中。

可以加载变量的D/A被称作动态D/A.OTGD/A和FSOTCD/A都是动态的，因为从FEPROM中加载到它们中的系数是由桥电压（VBBUF）决定的。

这两个D/A分别修正OffsetTC和FSOTC的误差。

LIND/A也是一个动态的D/A，因为它的系数是依照Vout的值进行变换的。

OFSTD/A和FSOD/A是静态的，因为重复加载到它们上的各自的系数总是同一个确定的值。

压阻式压力传感器的设计

使用一片MAX1457,93C66，及一个传感器可以构成一个传感器的模块如图3.5.1，电路示意图见图

图3.5.1传感器设计模块图

接口为补偿模块与外围电路之间的接口，主要包括信号线ECS,ECLIC,EDI,EDO的输出端，及MAX1457芯片选信号MCS的输出端。

这个接口可以使用一个十针插头来实现。

计算机通过并口及其相关电路与补偿模块的接口相连接，控制MAX1457及EEPROM