压力传感器集成恒流源灵敏度温度系数补偿

郑蓓蓉 薛 伟 周 晨 张 淼

温州大学,温州,323035

0 引言

微型传感器已成为MEMS器件的重要组成部分之一,目前具有实用价值并得到较广泛应用的是微机械力敏传感器,主要有压力传感器、加速度计、陀螺等,而其中应用最广的是压阻式压力传感器[1-2]。

压阻式压力传感器明显的缺点是对周围环境温度的敏感性过高,其温度漂移大是限制该类器件精度提高和应用范围扩大的主要因素之一。温度漂移是半导体压力传感器的关键指标[3],此类传感器的输出灵敏度是其静态特性中的一个重要指标,而灵敏度温度漂移的存在影响了其静态特性[4]。本文将“集成恒流源网络”用于超低量程微型压力传感器和表面微机械加工的多晶硅压力传感器的灵敏度温度漂移的高精度补偿。

1 压阻式压力传感器的灵敏度温度特性

压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应而制作的半导体器件,硅材料受到外力作用,原子结构内部的电子能级状态发生变化,导致电阻率剧烈地变化,由硅制成的电阻也就出现巨大变化[5]。硅的电阻变化的灵敏度系数(G因子)为

式中,ν为硅的泊松比;E为弹性模量;π为压阻系数。

压阻式压力传感器输出灵敏度S与其压阻系数π成比例关系。E与晶向有关,与温度无关。而硅的压阻系数π是温度的函数,随着温度的改变而变化,在某掺杂浓度某温度下的压阻系数可表示为

式中,P(NT)为压阻因子;π300K为室温下的压阻系数;N为掺杂浓度;T为温度。

因此灵敏度S也随着温度的改变而变化,即存在灵敏度温度系数(sensitivity temperature co-efficient,TCS)。一般情况下,P型硅压阻系数随温度升高而减小[6],大多数未经温度补偿的压阻式压力传感器的灵敏度温度系数为负值,随表面浓度的增加压阻系数减小,表面浓度越高,灵敏度温度系数受温度影响越小。

在实际传感器芯片灵敏度温度漂移补偿中,灵敏度温度系数表示为

式中,VOS(T)、VOS(T0)分别为温度T和参考温度T0时的零点输出;VM(T)、VM(T0)分别为温度T和参考温度T0时的满量程输出。

早先的压阻式压力传感器芯片制作工艺主要基于体硅微机械加工,采用扩散或离子注入的方法,掺杂获得4个硅应变电阻,在单晶硅片正面上构成应力敏感检测的惠斯登电桥,电阻和衬底之间一般形成PN结隔离。为了满足测试量程的需要,单晶硅片背面一般采用氢氧化钾进行腐蚀以减薄硅片,使得敏感膜厚度降到所需要的尺寸。测控技术的发展,要求压力传感器量程越来越小,分辨率越来越高,科学实验、工业自动化控制、空气动力学、计量学等领域都需要量程在数百帕的高精度的超微压压力传感器。此类超低量程的微型传感器近年来常采用梁膜结构,它利用厚度有差异的梁和膜将应力集中到梁上,以获得比周边固支膜灵敏度高的力学结构[7]。为尽可能地提高灵敏度,常采用低浓度硼掺杂电阻,因此压阻式压力传感器的灵敏度温度系数值通常在10-3/℃满量程输出以上,且为负值。

图1 多晶硅材料的简单模型

另一方面,在表面微机械加工的压力传感器中,一般用低压化学气相沉积多晶硅薄膜,使硼离子注入或扩散进行掺杂,高温退火后形成压阻[8]。与单晶硅压阻不同,多晶硅压阻内部由大量的单晶晶粒和晶粒晶界组成,如图1所示。纵向压阻系数πL(指电流方向与应力方向一致)只有单晶硅压阻系数π44的1/4,而横向压阻系数πT(电流方向与应力方向垂直)远小于其自身的纵向压阻系数[9-10]。为提高压力传感器受外力时的电压输出,一般也采用低浓度硼掺杂电阻,所形成的压阻的方块电阻为每方块200～300Ω[11]。表面微机械加工可以使膜片尺寸大大缩小,同时也使得灵敏度温度系数增大,一般在10-3/℃满量程输出左右,采用常规补偿方法较难获得如此大的补偿量。

2 集成恒流源的灵敏度温度漂移补偿原理

图2是典型的圆膜压力传感器芯片照片,4个电阻 R1、R2、R3、R4布置在圆膜边缘上最大应力区,用金属(铝或金)连接成图3所示的差动等臂等应变惠斯登检测电桥。若硅微机械加工中能保证R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR3=-ΔR2=-ΔR4=ΔR,这样输出电压V O可以表示为

图2 圆膜结构的压力传感器芯片

图3 惠斯登检测电桥

又因为压力传感器电阻的变化直接与外部压力p有关,则有

式中,VO为输出电压;S为输出灵敏度,即传感器在单位电压下,满量程输出值与其对应的被测量的物理量变化值之比;p为传感器所受外部压力;VB为电桥的激励电压;VOS为外部压力为零时惠斯登电桥的输出电压。

式(5)两边同时对温度求导数,有

对传感器灵敏度温度系数进行电桥外部补偿后,输出电压 V O不再随温度变化而变化,即=0,则式(6)右边为零,即

S/S就是灵敏度温度系数,因压阻系数π随温度升高而减小,因此补偿前灵敏度温度系数总是小于零。为了达到补偿目的,随着温度的变化,电桥电压V B必须与灵敏度S有相反方向的变化,也就是说用电桥电压正温度系数补偿负的灵敏度温度系数。此类补偿方法有很多,如在电桥上串联或并联热敏电阻,或采用串联二极管、三极管等,更为复杂的是采用厚膜电路等,这些方法普遍存在补偿量小的缺点,难以满足高精度场合的需求[12]。本文针对超低量程微压单晶硅压力传感器和表面微机械加工的多晶硅压力传感器在高精度测试时和宽温区使用时,灵敏度温度系数补偿量大的特点,提出用三端可调式集成恒流源(图4)来补偿灵敏度温度系数的方法,由图4可知

式中,IB为惠斯登电桥电流;RB为惠斯登电桥内阻;ISET为集成恒流源可调电流;I1和I2分别为外接电阻R1和R2的电流;VS为电路供电电压。

图4 集成恒流源补偿电路

将式(8)简化可得

令α=RB/(RB+R2),式(9)两边对温度求导并简化可得

可解出

再将式(7)代入式(11),有

由三端可调试集成恒流源知 ISET=0.0677/R1,代入式(9),有

对给定传感器全桥应变芯片,选定 V S、V B后,可测得10-6/℃,再根据式(12)和式(13)计算出R1和R2的理论值,即利用集成恒流源补偿了负的温度漂移。

3 灵敏度温度系数补偿实验

以自主研发的超低量程微压压力传感器来验证集成恒流源补偿灵敏度温度系数的有效性,简易封装后的压力传感器实物如图5所示,其设计量程为300Pa。

测试设备如下GE DP1 104数字式标准压力表,精度为0.05%满量程输出,具有5位数字的分辨率ESCORT 3146A型数字万用表;直流稳压电源 ,型号 JC2733;高低温循环烘箱等。测试开始前压力传感器本身的温度应达到测试时的室温,一般需要在测试温度下放置4～6h以上。

图5 超低微压压力传感器简易封装的实物图

选定工作激励电压V S及桥压V B后做补偿前的温度特性标定,根据标定数据由式(3)计算出所需要的灵敏度温度系数补偿量,再参考式(2)求出两个电阻R1和R2的理论值,通过温度周期的调节标定,补偿后灵敏度温度系数绝对值易达到10×10-6～50×10-6/℃满量程输出(表1仅列出其中任意2台传感器实验结果)。在此基础上进行零位温度漂移补偿,实验表明若传感器基本性能是稳定的,补偿后零位温度漂移绝对值也可控制在10×10-6～50×10-6/℃满量程输出之内。然后再测量传感器整体灵敏度温度系数,未见明显变化,即表中第三次数据。同时对传感器做静态标定和时漂记录,表明方法简便可行。该方法已在微型压力传感器生产线中推广应用。

表1 灵敏度温度系数补偿实验测量结果

1号微差压压力传感器在零位温度系数和灵敏度温度系数补偿后,在室温(25℃)下进行了零位时间漂移的测试,样品零位时间漂移输出如图6所示,可看出补偿后的传感器低时漂的特性。

图6 零位温度系数和灵敏度温度系数补偿后的1号传感器在室温下的零位时漂

4 讨论

利用集成恒流源的温度特性补偿压力传感器灵敏度温度系数有如下特点：

(1)成本低,效果较好,具有实用价值,在低量程宽温区(-10～70℃)高精度微型压力传感器和表面微机械多晶硅压力传感器生产实践中反复考察证明,补偿后压力传感器工作性能稳定可靠。

(2)不要求敏感元件上4只扩散应变电阻的阻值具有很高的一致性,这一点对掺杂生产而言无疑是受欢迎的。而且因为没有引入非线性元件如热敏电阻等,适合压力传感器的批量制作。

(3)由于电桥电压与激励电压无关联,因而可根据芯片设计选定电桥工作电压,补偿量可以在较大范围内方便地单独调节,通过温度周期的调节标定,补偿后灵敏度温度漂移绝对值易达到10×10-6/℃～50×10-6/℃,满足高精度用户的要求。

(4)可以将补偿的恒流源与敏感器件集成在一起,更加利于表面微机械压力传感器的应用。在分立元件的情况下,温度补偿电路由外部附加的感温元件和电路构成,但由于外部的感温元件难以很好地跟踪敏感器件的实际温度,因而难以获得好的效果。因此对于表面微机械加工制作的压力传感器,采用与集成电路工艺相兼容的平面工艺将集成恒流源和电阻、敏感器件集成在一起,就可以获得良好的补偿效果,同时可以使传感器膜片尺寸进一步缩小,成本更加低廉。

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