關(guān)于壓阻傳感器的綜述

壓阻傳感器蘇安明（上海大學機自學院，上海）摘要：壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。壓阻式傳感器也能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力、溫度濕度、加速度和流量等一系列變量的測量。本文著重介紹了壓阻傳感器的基本原理，并介紹了基于MEMS的壓阻傳感器在壓力、溫度、濕度、加速度和流量測量方面的新型設(shè)計與應用。隨著微電子技術(shù)和計算機的進一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應用還將迅速發(fā)展。關(guān)鍵詞：壓阻式傳感器；壓力；溫度；濕度；加速度；流量PiezoresistiveSensorsSuAn-ming（SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai）Abstract:Piezoresistivesensorsarewidelyusedinaerospace,aviation,marine,petrochemical,powermachinery,biomedicalengineering,meteorology,geology,seismicandotherfields.Piezoresistivesensorscanmeasurethepressure,temperature,humidity,acceleration,flowetc.Thisarticlehighlightsthebasicprincipiumofpiezoresistivesensors,andintroducesthenewdesignofMEMS-basedpiezoresistivepressuresensorsinmeasuringtemperature,humidity,accelerationandflow.AsthefurtherdevelopmentofMicroelectronicsandcomputertechnology,theapplicationofpiezoresistivesensorswillalsodeveloprapidly.Keywords:sensors;pressure;temperature;humidity;acceleration;flow目前，壓力傳感器種類很多，有振動筒式、石英波登管式、壓阻式、應變片式等多種。其中振動筒式壓力傳感器雖然不確定度可達0.02%F·S，但它僅適用于測量以氣體為介質(zhì)的壓力，測壓范圍很小；石英波登管式壓力傳感器不確定度能達到0.02%，測壓范圍也很大，可達60MPa以上，但這種傳感器結(jié)構(gòu)復雜、成本高；應變式壓力傳感器測量上限一般不超過25MPa,不確定度為1%F·S,目前市場上有上限達60MPa的這類壓力傳感器,但制作工藝較差,可靠性低,特別是1MPa以下的傳感器,不確定度很難達到0.04%F·S;壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應制成,它采用集成電路工藝,結(jié)構(gòu)簡單,測壓上限可達到60MPa,具有工作可靠、耐腐性、抗干擾能力強等特點，國內(nèi)有些廠家利用美國生產(chǎn)的傳感器芯片，加上嚴格的組裝工藝，其不確定度可達0.04%F·S以上，在壓力測量領(lǐng)域得到了較廣泛的應用。壓阻式傳感器采用集成電路工藝加工，因而結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。壓阻傳感器壓力分辨率高，它可以檢測出像血壓那么小的微壓；頻率響應好，它可以測量幾十千赫的脈動壓力。由于傳感器的力敏元件及檢測元件制在同一塊硅片上，所以它工作可靠，綜合精度高，且使用壽命長。壓阻傳感器原理壓阻式傳感器的基本原理電阻式傳感器是將輸入的機械量應變ε轉(zhuǎn)換為電阻值變化的變化原件。電阻變換器的輸入量為應變ε=ΔL∕L，即材料的長度相對變化量，它是一個無量綱的相對值。通常ε=10-6為一個微應變。電阻變換器的輸出量為電阻值的相對變化量ΔR∕R。電阻變換器有金屬電阻變換器和半導體電阻變換器兩種類型。根據(jù)半導體材料的壓阻效應：（Δρ/ρ）=πσ，且σ=Eε，其中:σ是應力,π是壓阻系數(shù)，E是楊氏彈性模量,所以電阻的相對變化為：（ΔR∕R）≈πE供電及信號處理電路壓阻式傳感器可以用恒壓源供電，也可用恒流源供電，但恒壓源供電與恒流源供電相比存在環(huán)境溫度影響不能消除的問題（圖1）。假設(shè)四個擴散電阻的起始阻值都相等且為R,當有應力作用時,兩個電阻阻值增加,增量為ΔR,另兩個電阻阻值減小,減小量為ΔR.由于溫度影響,使每個電阻阻值都有ΔRt的變化量,因此,電橋的輸出：圖1恒壓源與恒流源供電的比較（1）恒壓：V=E(ΔR∕R+ΔRt)可以看出輸出電壓V與溫度有關(guān)且為非線性，所以用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。（2）恒流：V=IΔR可以看出輸出電壓V與溫度無關(guān)，這就消除了溫度對傳感器輸出信號的影響。所以可采用如圖（2）所示的恒流源供電電路，它采用雙電源供電以避免共模干擾。圖2恒流源供電電路圖3放大電路ΔRΔRΔR圖9傳感器的俯視示意圖將壓阻連接成圖8所示的方式，可以求得:V1V=V2根據(jù)上文所述應力的變化，可以得到壓阻的變化率，從而得到電壓輸出的曲線。圖10空氣流速和電壓輸出的關(guān)系圖11角度和電壓輸出的關(guān)系從而就可以根據(jù)電壓的變化來計算出流速的變化，和確定流向2.2壓阻傳感器在測量加速度上的設(shè)計及應用2.2.1壓阻式硅微型加速度傳感器的研制硅微加速度傳感器是MEMS器件中的一個重要分支，具有十分廣闊的應用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點，而且該種傳感器在強輻射作用下能正常工作，因而在近年來發(fā)展迅速。本節(jié)給出了一種基于MEMS技術(shù)制作的壓阻式硅微加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝，并對制作的加速度傳感器樣品進行了動態(tài)測試，測試結(jié)果表明與理論設(shè)計值基本吻合。壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋，在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應力的作用發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實現(xiàn)對加速度的測量。壓阻式硅微加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、四梁和雙島-五梁等結(jié)構(gòu)，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等。質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會使懸臂梁上的應力超過屈服應力，變形過大，致使懸臂梁斷裂，為此高gn值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖12、圖13圖12單臂梁結(jié)構(gòu)圖13雙臂梁結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器的懸臂梁常采用CVD工藝在硅片上外延生長一層外延層刻蝕而成，本文試用鍵合工藝制造壓阻式加速度傳感器。采用鍵合工藝的優(yōu)點是能得到高質(zhì)量的外延層，且懸臂梁的厚度通過硅片減薄工藝易于得到保證，精細的硅片單面研磨，厚度誤差可以控制在0.5μm以內(nèi)；且不需要電化學自停止腐蝕，依靠EPW腐蝕液對SiO2的腐蝕速度極慢，使得腐蝕過程停止在SiO2層上，從而保證了硅片減薄后的厚度即為彈性梁的厚度。制作的傳感器芯片尺寸3mm×5mm，封裝在陶瓷管殼中。選n型硅片，晶向（100），直徑為50mm，厚度為300μm，電阻率為5ù·cm～12ù·cm。通過對被測試加速度傳感器輸出電壓與加速度之間關(guān)系的分析，其基本屬于線性關(guān)系，采用一元線性回歸模型對被測試傳感器數(shù)據(jù)進行直線擬合。對制作的加速度傳感器樣品，在馬希特擊錘上進行了大量的沖擊標定測試，測試結(jié)果表明，設(shè)計和加工制作的加速度計樣品在進行加速度沖擊時有較好的信號輸出，單臂梁結(jié)構(gòu)加速度計的靈敏度為1μV/gn；雙臂梁結(jié)構(gòu)的加速度計的靈敏度為1.6μV/g2.2.2壓阻式復合慣性加速度傳感器的研究壓阻式復合加速度傳感器是利用硅半導體材料的壓阻效應來實現(xiàn)對線加速度和角加速度的測量,其核心部分是慣性式彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)形式和性能直接決定傳感器的性能，本節(jié)研制的輪輻式復合加速度傳感器彈性體是一種整體式結(jié)構(gòu)，如圖14所示，由40CrNiMo經(jīng)冷加工處理后加工而成，加配適當?shù)淖枘嵯到y(tǒng)、座基及殼體，構(gòu)成一個壓阻式復合加速度傳感器，利用彈性梁的線性應變響應特性來實現(xiàn)對被測量的測量。圖14敏感元件結(jié)構(gòu)原理圖該彈性體由四根應變梁和內(nèi)外輪緣構(gòu)成，中心基座支撐，外輪緣為質(zhì)量環(huán)（均布質(zhì)量為M），每根應變梁上貼4片半導體箔式應變片，平行于輪幅平面的相對側(cè)面上的，8個應變片兩兩互連組橋構(gòu)成全橋電路可敏感線加速度a產(chǎn)生的微應變，垂直于輪幅平面的8個相對側(cè)面的應變片組成的全橋電路可敏感角加速度產(chǎn)生的微應變。這種整體結(jié)構(gòu)體積小、重量輕，可消除徑向效應，在外形尺寸相同的情況下，增加應變梁的長度及將應變梁采用開槽設(shè)計，都可提高傳感器的靈敏度。2.3壓阻傳感器在測量溫濕度上的設(shè)計及應用2.3.1硅壓阻式濕度傳感器的研究本文設(shè)計的壓阻式濕度傳感器的敏感結(jié)構(gòu)中，是在n型Si(100)方膜的表面上制作P型濕敏電阻，壓阻是沿著[110]晶向放置的，示意圖如圖1所示，當濕敏膜因外界濕度發(fā)生變化受到應力時，上下一對壓阻因為受到橫向應力而減小，左右一對壓阻因受到縱向應力而增大。圖15傳感器壓阻分布結(jié)構(gòu)示意圖圖16濃硼摻雜的單個壓阻示意圖但在這種情況下△R/R=0.92(△R/R)理想,即只有理想情況的92%,這就大大降低了傳感器的濕度靈敏特性。因此我們在拐彎處采用Al引線來代替濃硼摻雜,如圖17所示,其單個壓阻結(jié)構(gòu)如圖18所示,壓阻尺寸都不變。圖17改進的傳感器壓阻分布結(jié)構(gòu)示意圖圖18ＡＩ來代替濃硼摻雜的單個壓阻示意圖本節(jié)中傳感器的四個壓阻構(gòu)成惠斯頓電橋,得到輸出信號，這要求壓阻阻值相等，溫度系數(shù)和濕度靈敏度系數(shù)也要相等，這要求四個壓阻位置盡量靠近，壓阻的形狀幾何尺寸一致，摻雜濃度也要均勻一致。為了提高壓阻的匹配度，采用離子注入工藝，以代替擴散工藝來制備壓阻。擴散電阻雖然工藝簡單，但是精度比較低，其精度ΔR/R一般控制在±20%以內(nèi)，當惠斯頓電橋外接5V的電壓，ΔR/R=1%時，輸出電壓偏移為50mV，這嚴重影響電橋零點輸出信號。在圖17結(jié)構(gòu)中我們采用離子注入的工藝來制作壓阻，離子注入摻雜濃度均勻，精度較高。實驗分別對兩種工藝制作的壓阻進行了測試，定義了壓阻的相對誤差，相對誤差=(R-R平均)/R平均×100%,其中R平均=(R1+R2+R3+R4)/4。實驗數(shù)據(jù)表明2.3.2基于MEMS工藝的壓阻式濕度傳感器的設(shè)計制作本節(jié)利用硅與聚酰亞胺兩種材料的膨脹系數(shù)不同，聚酰亞胺膜吸濕發(fā)生膨脹，使聚酰亞胺和硅膜構(gòu)成的雙膜結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲產(chǎn)生應力，由壓阻進行測量。為了確定傳感器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳感器尺寸，用ANSYS軟件進行了模擬。并設(shè)計了濕度傳感器的制造工藝，采用硅-硅直接鍵合的SOI片、硅自停止技術(shù)有效地控制了硅膜的厚度。聚酰亞胺具有吸濕體積發(fā)生膨脹的特性，這種特性是可逆的，且水分子對硅的體積基本上沒有影響。利用硅與聚酰亞胺的雙膜結(jié)構(gòu)，兩種材料吸濕膨脹系數(shù)不同，從而使雙膜發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生應力。在一定的濕度變化條件下，會有不同應力的產(chǎn)生。通過測量硅膜上的應力，即可得到相應的濕度變化。對應力的變化用四個聯(lián)成惠斯通電橋形式的壓阻進行測量，如圖19(c)所示。（ａ）傳感器的橫截面示意圖（ｂ）傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（ｃ）濕敏壓阻連接方式圖19濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖19所示，在類似于普通壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)膜上旋涂一層聚酰亞胺吸濕層，形成濕度敏感的雙層復合膜結(jié)構(gòu)。由于聚酰亞胺是由聚酰亞胺酸在高溫下亞胺化形成的，從聚酰亞胺酸到聚酰亞胺時，它的體積會縮小，而硅膜的體積是不變的，因此會使膜向下彎曲產(chǎn)生應力，此應力就是常溫下聚酰亞胺層上的機械殘余應力σp01，也是相對濕度為零時的初始應力。當濕度增加時,聚酰亞胺吸濕發(fā)生膨脹，會減少薄膜向下彎曲的程度。這時橋路輸出電壓V對于膜片上應力分布用ANSYS軟件進行分析。由于ANSYS沒有濕度這一負載，而相對濕度引起膨脹與溫度引起膨脹的原理類似，因此將濕度膨脹系數(shù)類比成熱膨脹系數(shù)進行模擬仿真，增加多少相對濕度就相當于增加多少溫度。聚酰亞胺在環(huán)境溫度升高時，同樣會發(fā)生膨脹，而且它的熱膨脹系數(shù)可與吸濕膨脹系數(shù)相比擬，為此設(shè)計了一個溫敏電阻可對濕度傳感器進行溫度補償。由于鋁的溫度系數(shù)和鉑相當，為0.00429K-1，可用作測溫電阻，不過鋁的電阻率較小，為了獲得較大的電阻值，將其設(shè)計成折形，鋁的電阻率為2.65×10-8Ω·m，設(shè)計在室溫下鋁電阻條的阻值為2.3.3應用SU-8粘合技術(shù)的微型壓力、溫度和濕度集成傳感器本節(jié)介紹的是一種綜合型的壓阻式傳感器，介紹了該集成傳感器的設(shè)計思想、結(jié)構(gòu)和制備過程，給出了實驗和測試方法。該集成傳感器具有體積小、成本低和可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)控制等領(lǐng)域應用廣泛。該集成傳感器由SU-8真空粘合技術(shù)制作的鉑壓阻壓力傳感器，鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器組成。電容式濕度傳感器選用聚酰亞胺作為敏感材料。為了確保蒸汽均勻地擴散到聚酰亞胺中，我們選用電場分布在聚酰亞胺，濕度傳感器上電極呈正方形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。壓力傳感器組成的硅膜上的選擇鉑電極為敏感材料，并形成一個真空密封腔與SU-8連接。硅膜的厚度和長度分別是15μm和2000μm，鉑電極要覆蓋多的硅膜，它的分布位置有應力分布來決定。圖20綜合壓力、溫度和相對濕度的集成傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.20Schematicdiagramoftheintegratedpressuretemperature,andrelativehumiditysensor圖21給出了該集成傳感器的加工流程圖：（ａ）濕度傳感器，溫度傳感器和壓力傳感器的沉積（ｂ）氫氧化鉀蝕刻工藝（ｃ）壓力傳感器與SU-8粘合圖21集成傳感器的制作工藝Fig.21Schematicfabricationprocesssequenceoftheintegratedsensor通過新型設(shè)計和工藝，將壓力、溫度和濕度傳感器集成在一個5.5mm×3.5mm×0.8mm的傳感器上面，在每一種傳感器都有很好的精度的基礎(chǔ)上保證了組合后的集成傳感器也有很好的精度。2.4壓阻傳感器在測量壓力上的設(shè)計及應用2.4.1MEMS技術(shù)的智能化硅壓阻汽車壓力傳感器本節(jié)介紹通過采用MEMS技術(shù)制造的硅壓阻力敏元件結(jié)合智能集成化信號調(diào)理技術(shù)設(shè)計了適合批量制造的小型化堅固封裝的通用汽車壓力傳感器。通過智能調(diào)理技術(shù)將傳感器的零位和滿度進行溫度校準實現(xiàn)寬溫度工作范圍內(nèi)的高精度測量，并且適合批量制造。當硅芯片受到外界的應力作用時，硅應變電橋的橋臂電阻將產(chǎn)生變化，一般都為惠斯頓電橋檢測模式。單一的硅片芯片只能作為一個檢測單元的一部分它無法獨立完成信號的轉(zhuǎn)換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測的能力。將硅片芯片與PYREX玻璃環(huán)靜電封接在一起。PYREX玻璃環(huán)作為硅芯片的力學固定支撐彈性敏感元件并且使硅芯片與封裝絕緣，而PYREX玻璃環(huán)的孔恰好成為了傳感器的參考壓力腔體和電極引線腔體。其結(jié)構(gòu)如圖22所示。圖22敏感元件封裝在溫度傳感器的輔助作用下通過信號轉(zhuǎn)換開關(guān)分時讀取壓力與溫度的數(shù)值，通過可編程增益放大器將微弱信號放大，再經(jīng)過ADC量化傳感器的信號進入數(shù)字處理器計算當前溫度和壓力下的補償后壓力輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC輸出模擬信號。而溫度補償則可以通過通訊接口將參數(shù)寫入EEPROM供數(shù)字處理器計算時調(diào)用。如此多的功能部件均可集成制作在一塊單一芯片上，使得ASIC電路很容易和MEMS技術(shù)制作的壓力敏感芯片封裝在一個小巧的殼體中。在寬溫度范圍內(nèi)實測校準后的傳感器有效抑制了溫度交化對其產(chǎn)生的影響。致謝感謝章亞男老師對本文章的大力支持，在此表示感謝！參考文獻：[1]YukimitsuSekimori.PRESSURESENSORFORMICROCHEMICALSYSTEMONACHIP.InstituteofElectricalandElectronicsEngineers.24-27Oct.2004,516-519vol.1.[2]白旭.壓阻傳感器原理及應用.儀器儀表用戶.1617-1040(2004)05-0080-01.[3]魏澤文，秦明，黃慶安.一種新型硅壓阻式流速流向傳感器的設(shè)計.儀器儀表戶.2007