探讨面向微机械电子技术的自动化测量传感器设计

兰州工业学院 郭宁 刘青

微机械电子技术，是在微电子技术基础上发展出来的，属于多学科交叉的前沿性技术领域，融合硅微机械加工工艺、LIGA 技术和精密机械加工等多种微加工技术，同时应用现代信息技术，构成微型系统，属于一个新的产业增长点。其中，硅微机械加工工艺包含体硅工艺、表面牺牲层工艺，以美国为代表；LIGA 技术包含光刻、电铸、塑铸，以德国为代表。微机械电子技术几乎涉及到自然及工程科学的全部领域，例如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学和能源科学等，在系统集成化和三维加工及非硅加工发展上十分迅速，设计手段逐渐向专用CAD 工具方向发展。微机械电子技术的快速发展给传感器设计带来十分明显的改变，传感器设计几乎均应用微机械电子技术进行，进而促使传感器设计趋向自动化和超精密加工方向发展，以便于将其用于更微型化和系统集成化的作业中。鉴于此，本文面向微机械电子技术设计一种自动化测量传感器。

1 传感器概述

传感器（Transducer/Sensor）作为一种检测装置，是最具有代表性的现代科学技术成就，其可以将感受到的具体信息按照一定的规律变换成电信号，或者通过其他所需要的形式进行信息输出，以此充分满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等方面的具体要求[1]。目前，传感器在实现自动检测和自动控制上的应用十分广泛，几乎出现在各个领域和行业，在经济社会发展和经济社会进步等方面的作用显而易见[2]。在文中，自动化测量传感器设计分为两个主要部分：第一部分给出包含敏感元件、转换元件、信号调理电路、传感器接口电路等关键部分的设计方案；第二部分根据第一部分的设计方案进行自动化测量传感器的制成。在进行自动化测量传感器的性能检测过程中进行设计方案可行性的判定，对自动化测量传感器成品是否能够达到合格标准进行考量。判定结果表明，自动化测量传感器在观测值与真值的接近程度上、产品可靠性上、相应量变化程度上、校准结果与线性变化偏离的程度上、正行程特性与反行程特性的不一致程度上、多个单次测试结果上，不同的检测结果均处于合乎标准的规定范围内，进一步证明自动化测量传感器的设计方案具备合理性，能够进行正常的制造[3]。

2 面向微机械电子技术的自动化测量传感器设计

2.1 敏感元件设计

敏感元件是自动化测量传感器十分重要的组成部分，属于核心元件，可以敏锐感受外界信息，并将其转换为电信息，属于一种比较特殊的元件[4]。这种特殊的元件通常是利用具有敏感效应的材料制成，其感知功能达到或远超人类感觉器官功能。敏感元件在设计过程中所应用的方法较多，主要为硅微机械加工工艺、键合技术（Bonding Technique）、LIGA 技术与脉冲激光（Excimer Laser）技术。本文在设计过程中选择硅微机械加工工艺中的光刻工艺进行敏感元件设计，具体过程如表1所示。

表1 敏感元件设计过程Tab.1 Sensitive element design process

2.2 信号调理电路设计

信号调理电路（Signal Conditioning Circuit）是工业控制领域进行传感器模拟信号处理的主要电路，其可以进行信号的隔离、放大和滤波等，显著提升信号的质量[5]。能够将来自传感器的信号转换为具有其他目的的数字信号。自动化测量传感器设计过程中的信号调理电路如图1所示。

2.3 传感器接口电路设计

自动化测量传感器需要具有较高的精度及较好的线性特征，需要与微型机械电子系统的其他器件进行有效连接，因此，传感器的接口电路设计直接关系到数据在采集后是否能够被有效利用[6]。传感器接口也被叫做引脚，是芯片内部电路引出与外围电路的接线，全部的引脚构成芯片接口，即传感器接口[7]。在图1中，传感器的引脚一共有14 个，每个传感器接口实际起到的具体功能各不相同。

图1 自动化测量传感器信号调理电路设计图Fig.1 Design diagram of signal conditioning circuit for automatic measurement sensor

3 自动化测量传感器的性能检测

3.1 材料准备

传感器制备材料包含信号调理电路、传感器接口电路、敏感膜片、传感器工作程序编辑器、转换元件、外接线、胶带、电源线、封装外壳等。

3.2 传感器组装

将传感器制备材料包含信号调理电路、传感器接口电路、敏感膜片、传感器工作程序编辑器、转换元件、外接线、胶带、电源线、封装外壳等材料组装，制成自动化测量传感器成品[8]。制成的自动化测量传感器成品应在观测值与真值的接近程度、校准结果与线性变化偏离的程度、正行程特性与反行程特性的不一致程度与多个单次测试结果上满足≤%F·S±0.1 的标准。

3.3 检测方案

自动化测量传感器的性能检测项目包含6 个，即观测值与真值的接近程度、产品可靠性、相应量变化程度、校准结果与线性变化偏离的程度、正行程特性与反行程特性的不一致程度、多个单次测试结果。下面针对这6个检测项目进行具体分析。

（1）观测值与真值的接近程度。观测值与真值的接近程度即为精度，是传感器所采集到的，作用在传感器上的压力值误差。在检测过程中，使用万能压力测试机作为检测装置，将自动化测量传感器放置再万能压力测试机正下方，通过设置不同数值的压力施加数值，重复进行10 次试验，通过选择绝对平均值，最后将绝对平均值与实际压力值进行压力值误差计算，进而验证误差是否满足≤%F·S±0.1 的标准。

（2）产品可靠性。压力平均数值、绝缘电阻数值可以作为检测自动化测量传感器产品可靠性的两个指标，通过检测传感器的接口密封程度，能够检测出传感器是否存在漏气、漏电的情况。在检测过程中，测试装置分别使用压力测漏仪检测压力平均数值，使用兆欧表检测绝缘电阻数值。压力平均数值合格标准为平均数值≤压力测漏仪所施加的稳定压力值的0.05%，假如压力平均数值≤0.05%，则认为传感器接口不存在漏气问题；绝缘电阻数值合格标准为绝缘电阻数值≥50 兆欧，则认为传感器接口不存在漏电问题。

（3）相应量变化程度。相应量变化程度即为灵敏度，是伴随输入量的变化而影响输出量的变化程度，在测试过程中需要的数据来自观测值与真值的接近程度检测现场的下压板、万能压力测试机、输出显示装置检测所得到的实际数据。

（4）校准结果与线性变化偏离的程度。校准结果与线性变化偏离的程度即为非线性度，即按照时间的精准序列，自动化测量传感器所输出的监测值所绘制的曲线和实际的压力曲线间产生的拟合偏差。测试数据来自观测值与真值的接近程度检测现场的下压板、万能压力测试机、输出显示装置检测所得到的实际数据。

（5）正行程特性与反行程特性的不一致程度。正行程特性与反行程特性的不一致程度即为迟滞性，指的是在全量程范围之内，在同一个试验点输入数值产生增加和减少的同时，输出电压值间的最大差[9]。测试数据来自观测值与真值的接近程度检测现场的下压板、万能压力测试机、输出显示装置检测所得到的实际数据。

（6）多个单次测试结果。多个单次测试结果即为重复性，当处于相同测试条件下，获得多次连续的测量结果间的符合程度。测试数据来自观测值与真值的接近程度检测现场的下压板、万能压力测试机、输出显示装置检测所得到的实际数据。

4 结果与分析

面向微机械电子技术设计的自动化测量传感器的检测结果如下：

（1）观测值与真值的接近程度为0.0451%，合格；（2）压力平均数值为0.00363%，合格；（3）绝缘电阻数值为68.43MΩ，合格；（4）相应量变化程度为0.0581%，合格；（5）校准结果与线性变化偏离的程度为0.0740%，合格；（6）正行程特性与反行程特性的不一致程度为0.0265%，合格；（7）多个单次测试结果为0.0624%，合格。

将上述结果与自动化测量传感器检测合格标准进行比较之后，得出实际检测结果，所有检测结果均在要求的合格标准范围之内，因此，面向微机械电子技术设计的自动化测量传感器的性能已经达到预期的设计标准，可以在实际压力测试中进行应用，进一步证明自动化测量传感器的设计方案具备合理性，能够进行正常的制造。

5 结语

综上所述，本研究主要面向微机械电子技术设计出一种自动化测量传感器。在实际设计过程中主要对敏感元件、转换元件以及信号调理电路、传感器接口电路等关键部分进行了设计，同时，针对设计好的自动化监测传感器成品进行性能检测，判断面向微机械电子技术设计出的自动化测量传感器是否符合预期的传感器设计合格标准。经检验，面向微机械电子技术设计出的自动化测量传感器检测结果均符合检测合格标准，该自动化检测传感器在设计上十分合理，具有十分广泛的实际应用前景。