基于模型識別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器

摘　要: 高溫壓力傳感器應(yīng)用在很多領(lǐng)域,由于高溫將使放大電路工作失效,因而采用將放大電路與傳感器件分離的設(shè)計方案是解決高溫測量的方法之一。介紹一種將放大電路與傳感器件分離的基于模型識別技術(shù)的微型電容式壓力傳感器。傳感器件由MEMS 工藝來實(shí)現(xiàn),信號激勵與信號處理由計算機(jī)來完成。

對電路的工作過程進(jìn)行了計算機(jī)仿真和試驗(yàn),并給出了微型高溫壓力傳感器的MEMS 工藝設(shè)計流程。

0 　引　言

壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主,以彈性元件的形變指示壓力,但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量輕,不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展,而且其功耗小、可靠性高。

高溫壓力傳感器是為了解決在高溫環(huán)境下對各種氣體、液體的壓力進(jìn)行測量。主要用于測量鍋爐、管道、高溫反應(yīng)容器內(nèi)的壓力、井下壓力和各種發(fā)動機(jī)腔體內(nèi)的壓力、高溫油品液位與檢測、油井測壓等領(lǐng)域。目前,研究比較多的高溫壓力傳感器主要有SOS ,SOI ,SiO2 , Poly2Si 等半導(dǎo)體傳感器,還有濺射合金薄膜高溫壓力傳感器、高溫光纖壓力傳感器和高溫電容式壓力傳感器等。半導(dǎo)體電容式壓力傳感器相比壓阻式壓力傳感器其靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、功耗小,且只對壓力敏感,對應(yīng)力不敏感,因此,電容式壓力傳感器在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 　器件的基本組成及制作工藝

硅電容式壓力傳感器的敏感元件是半導(dǎo)體薄膜,它可以由單晶硅、多晶硅等利用半導(dǎo)體工藝制作而成。典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時,薄膜會發(fā)生一定的變形,因此,上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化,從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線性關(guān)系,因此,要用具有補(bǔ)償功能的測量電路對輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。由于高溫壓力傳感器工作在高溫環(huán)境下,補(bǔ)償電路會受到環(huán)境溫度的影響,從而產(chǎn)生較大的誤差。基于模型識別的高溫壓力傳感器,正是為了避免補(bǔ)償電路在高溫環(huán)境下工作產(chǎn)生較大誤差而設(shè)計的,其設(shè)計方案是把傳感器件與放大電路分離,通過模型識別來得到所測環(huán)境的壓力。高溫工作區(qū)溫度可達(dá)350 ℃。傳感器件由鉑電阻和電容式壓力傳感器構(gòu)成。其MEMS 工藝如下:

高溫壓力傳感器由硅膜片、襯底、下電極和絕緣層構(gòu)成。其中下電極位于厚支撐的襯底上。電極上蒸鍍一層絕緣層。硅膜片則是利用各向異性腐蝕技術(shù),在一片硅片上從正反面腐蝕形成的。上下電極的間隙由硅片的腐蝕深度決定。硅膜片和襯底利用鍵合技術(shù)鍵合在一起,形成具有一定穩(wěn)定性的硅膜片電容壓力傳感器[2] 。由于鉑電阻耐高溫,且對溫度敏感,選用鉑電阻,既可以當(dāng)普通電阻使用,又可以作為溫度傳感器用以探測被測環(huán)境的溫度。金屬鉑電阻和硅膜片的參數(shù)為:0 ℃時鉑電阻值為1 000Ω;電阻率為1. 052 631 6 ×10 - 5Ω·cm;密度為21 440 kg/ m3 ;比熱為132. 51 J/ (kg·K) 、熔斷溫度為1 769 ℃,故鉑電阻可加工為寬度為0. 02 mm;厚度為0. 2μm;總長度為3 800μm,制作成鋸齒狀,可在幅值為10 V 的階躍信號下正常工作。電容式壓力傳感器的上下電極的間隙為3μm、圓形平板電容上下電極的半徑為73μm、其電容值為50 pF。具體工藝流程圖如圖1所示。