面向微机械电子技术的自动化测量传感器设计

卞丽情

（广州应用科技学院，广州 511370）

0 引言

传感器是现代科学技术发展进程中最具有代表性的成就之一，与通信技术和计算机技术地位相同。传感器应用范围广泛，几乎可以应用在所有领域和行业，如在航空航天领域，加速度传感器、陀螺仪等被用于惯性导航、空间姿态测定；在生物医疗领域，生物传感器、流体传感器等被用于临床化验、病理诊断；在环境监测领域，温湿度传感器、气体传感器等用于监测周围环境的变化情况，判断是否发生污染或者恶劣天气。为满足更为精细化的监测工作要求，传感器逐渐向着更为智能化、自动化和微型化方向发展。该技术主要有三大部分组成，即微电路、微电机、微探测器。其中微探测器，也就是微传感器，是微型化发展进程中最常应用的领域，其特征是敏感结构的尺寸非常微小，尺寸仅在在μm级或者亚μm级，相较于与一般传感器，体积只有几十分之一甚至几百分之一[1]。基于微传感器用途不同，类型也不同，如电容式MEMS差压压力传感器、磁场测量微传感器、霍尔式磁性液体微压差传感器等等。基于此，本研究选取一种常用的自动化压力测量传感器作为对象，进行面向微机械电子技术的自动化测量传感器设计研究。该设计分为两部分，即理论设计和应用测试部分。前者主要包含敏感膜片设计、转换元件设计、信号调节转换电路设计、传感器接口电路设计以及工作程序设计等几个模块。后者按照前者设计方案进行实体传感器制作，并测试使用效果是否达到预期，判断是否能够投入使用。通过本研究以期为微传感器生产与制造提供参考，促进微机械电子技术的应用和发展。

1 面向微机械电子技术的微传感器设计方案

微机械电子技术是现代科学技术创新发展的典型代表，即在保有部件功能的基础上，将部件缩小化，并能够集成封装，嵌入进其他设备当中，作为测量设备的身份存在，用于数据采集和监测。根据所应有场合，微机械电子系统当中的微传感器类型不同，本研究以压力传感器为对象，进行设计研究。压力传感器是基于压阻效应并结合欧姆定律来估算压力值的。当外界给予半导体材料（敏感膜片）一定压力时，该材料会发生相应的应变，而应变会带动电阻同时发生变化，这时电桥失去平衡，就会即可输出相应电压值，然后再利用欧姆定律就可以换算出实际压力值[2]。

电阻变化数学公式表示如下：

当半导体材料（敏感膜片）未受到力的影响前，4个电桥一直处于平衡状态，这时的输出电压=0。其公式表示如下：

式中，R1、R2、R3、R4代表惠斯顿电桥4个桥臂的电压值。

而外界给予半导体材料（敏感膜片）一定压力时，与之相连的电桥将失去平衡，这时电压输出表示公式：

当R1、R2、R3、R4都等于相同一个值时，可以简化为：

式中，Vi为供电电压。

在设计前，了解微型压力传感器的结构组成是十分必要的，即敏感膜片设计、转换元件设计、信号调节转换电路设计、传感器接口电路设计、传感器工作程序设计。基于微型压力传感器组成结构，将设计分为以下几个部分，即敏感膜片设计、转换元件设计、信号调节转换电路设计、传感器接口电路设计以及工作程序设计。下面对这些设计模块进行具体分析。

1.1 敏感膜片设计

敏感膜片是自动化测量传感器中最关键的组成部件，能直接感受被测量，是外界力的唯一接触者，也是电压输出的根源[3]。敏感膜片，实际上就是一种弹性薄膜，具有很好的应变能力。该膜片的设计方法主要有四种，即硅微加工技术、键合技术、LIGA技术、准分子激光技术。在这里，选择硅微加工技术中的MEMS刻蚀工艺进行敏感膜片设计，具体过程如下：

步骤1：选择敏感膜片的衬底，也就是敏感元件的承载部分。在这里选择单晶硅作为敏感膜片的衬底。

步骤2：单晶硅处理。敏感膜片的制作需要确保单晶硅片无任何损伤，需要进行打磨和抛光，之后还需要进行清洗，去除附着在表面的杂质。之后，等待刻蚀。

步骤3：刻蚀有源标记，也就是制备对准标记与划片框；

步骤4：沉积掩蔽层，也就是在单晶硅片上覆盖一层保护膜；

步骤5：开压敏电阻与欧姆接触区，也就是在硅片背面去掉部分硅，形成腔体；

步骤6：接触区注入离子，形成压敏电阻条；

步骤7：标准清洗单晶硅片；

步骤8：沉积一层SiO2，作为隔离层；

步骤9：采用磁控溅射技术在玻璃片上溅射出Ti-Pt-Au，形成电极板；

步骤10：光刻出电极孔区和引线区图形；

步骤11：降低单晶硅片的厚度；

步骤12：将硅片与玻璃键合在一起；

步骤13：封装。为保证敏感芯片不受外界环境的侵蚀，保证其灵敏度和准确度，需要利用隔离膜片将敏感膜片与被测介质分隔开来，以免受污染和受损。

1.2 转换元件设计

本研究中的自动化测量传感器为微型压力传感器，其测量原理是基于压阻效应，因此压敏电阻是传感器的转换元件。压敏电阻是将敏感膜片感受到应变力转换为电阻值，进而结合给出的供电电压，转换为电压的电信号，因此压敏电阻设计至关重要[4]。压敏电阻设计时需要注意以下几点，即掺杂必须要保持一致性；电桥要设计成开环形式；掺杂类型和掺杂浓度的选择。

1.3 信号调节转换电路设计

信号调节转换电路的作用是进行信号放大调制和滤波，提高信号质量[5]。图1为自动化测量传感器设计的信号调节转换电路。

图1 自动化测量传感器的信号调节转换电路设计图

1.4 传感器接口电路设计

所设计的自动化测量传感器主要为微机械电子系统的一部分，因此传感器必然需要与外部其它器件进行连接使用，因此传感器接口设计是否合理，直接到传感器采集到的数据是否能够被利用[6]。图2为所设计传感器与外界设备的接口电路图。

图2 传感器接口电路设计图

传感器接口，也被称为管脚，它是电路内部与外围设备连接的接口，所有的引脚就是这传感器的接口。在图3中，传感器管脚有14个，每个管脚所起到的功能各不相同。表1为传感器各个接口电路的管脚功能。工作提供逻辑指导。传感器工作程序，即传感器采集数据的过程。采集程序步骤如下：

表1 传感器各个接口电路管脚功能表

步骤1：初始化敏感芯片；

步骤2：初始化各个电路；

步骤3：等待采集命令；

步骤4：判断采集命令是否到达？若到达，则进入下一步；否则，进入低功耗状态，并回到上一步骤；

步骤5：传感器感知被测量量；

步骤6：利用转换元件将测量量转换为电信号；

步骤7：利用调节转换电路将电信号进行放大以及滤波处理；滤波传感器完成采集任务后，十分重要的环节，因为传感器采集到的初始信息中包含了大量的噪声，将有用的信息量掩盖住，因此必须要进行滤波，因此利用调节转换电路进行滤波是必不可少的；

步骤8：是否到达采集时间？若到达，则进入中断程序；否则，发送采集到的接收端；

步骤9：是否进入下一轮采集？若进入下一轮采集，则回到步骤5；否则，等待关机命令，关闭整个传感器系统。

2 传感器性能检测

面向微机械电子技术的自动化测量传感器理论设计完成后，还需要按照设计方案制成成品，以对传感器性能进行验证，判断设计中存在的问题，并进行改进和优化。

2.1 传感器材料准备

根据上述自动化测量传感器理论设计，准备相关材料，为一种微型压力传感器制备做准备。传感器制备材料如图3所示。

图3 传感器制备材料

1.5 传感器工作程序设计

上述几个章节的自动化测量传感器设计属于硬件范畴，除此之外，还需要为其编写和设计工作程序，为其

2.2 自动化测量传感器组装

将图3中这些材料组装在一起，制备成自动化测量传感器成品。由于后续检测内容不同，因此采用6份相同材料制备6个成品受试体，如图4所示。

图4 自动化测量传感器成品示意图

制备的好的自动化测量传感器成品预期达到的标准如下：

精 度：≤%F•S ±0.1；

非线性：≤%F•S ±0.1；

迟滞性：≤%F•S ±0.1；

重复性：≤%F•S ±0.1。

2.3 传感器测试方案

传感器测试项目主要包括6个，即精度、可靠性、灵敏度、非线性度、迟滞特性、重复性。下面对这六个项目进行具体分析。

1）精度测试

精度，即传感器采集到的量值与实际作用在传感器上的压力值之间的误差。测试装置为一台万能压力测试机，将设计的传感器放到测试机下压板的正下方，然后设置不同的压力施加值（5MPa、10MPa、15MPa和20MPa），重复试验10次，取绝对平均值，最后与实际压力值进行差值计算，并取验证差值P是否≤%F•S±0.1。精度测试检验场景如图5所示。

图5 精度检测现场

2）可靠性

传感器可靠性检测是指检测接口的密封程度，也就是是否存在漏气和漏电的现象。针对上述两种现象，测试装置分别为压力测漏仪和兆欧表。前者合格标准为平均值≤所施加稳定压力值的0.05%，认为接口不存在漏气问题；后者合格标准为绝缘电阻值≥50兆欧，认为接口不存在漏电问题。

3）灵敏度S

灵敏度是指传感器随着输入量变化而导致输出量变化程度。测试所需要数据来自图5装置测量所得数据。灵敏度计算公式如下：

式中，C代表传感器输出量的增量；g代表传感器的初始电压值与电极之间的距离；C0代表传感器初始电压值；Pm代表膜片中心最大挠度等于常数d时的最大压力。P代表外界气体的压强。

4）非线性度RL

非线性度是指按照时间序列，自动化测量传感器输出的测量值绘制的曲线与实际压力曲线之间的拟合偏差。测试所需要数据来源同上。度量公式如下：

式中，ΔLmax代表自动化测量传感器输出的测量值绘制的曲线与实际压力曲线之间的最大偏差；FYS代表满量程输出电压值。

5）迟滞性YH

迟滞性是指全量程范围内，在同一试验点输入值增加和减少时，二者输出电压值之间的最大差值。测试所需要数据来源同上。度量公式如下：

式中，ΔCmax代表测试范围内压力传感器的最大迟滞误差。

6）重复性F

相同测试条件下，连续多次测量结果之间的符合程度。测试所需要数据来源同上。公式如下：

式中，a代表贝塞尔标准差：

2.4 结果与分析

所设计微型压力自动化测量传感器检测结果如表2所示。

表2 自动化测量传感器性能检测结果

将表2与上述传感器检测合格标准进行比对，得出的实际检测结果均在合格标准规定的范围内，由此证明所设计的传感器达到预期，可以被用于实际压力测试中。

3 结语

综上所述，传感器用途广泛，可以用于各种参数的测量和检测工作，极大地方便了人们的数据采集业务。然而，随着传感器技术的深入研究，传感器逐渐向着更加微型化发展，用于更加精细测量。本研究主要对传感器的敏感元件、转换元件以及各种电路进行了设计，并针对设计好的传感器成品进行性能检验，判断是否符合产品合格标准。经检验，传感器各项指标均合格，认为该传感器设计合理，具有应用前景。然而，本研究在检测部分均是在理想的环境中进行的，而传感器实际工作环境较为恶劣，因此得出的检测结果可能与实际情况存在一定的误差，这有待进一步分析和检测，从而进一步优化所设计传感器的性能。