MEMS和信號(hào)調(diào)理實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散硅壓力傳感器

文中介紹通過采用MEMS(micro electro mechanical systems)技術(shù)制造的硅壓阻力敏元件結(jié)合智能集成化信號(hào)調(diào)理技術(shù)設(shè)計(jì)了適合批量制造的小型化堅(jiān)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(jìn)行溫度校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了寬溫度工作范圍內(nèi)的高精度測(cè)量，并且適合于批量制造。

　　引言

　　美國(guó)汽車傳感器權(quán)威弗萊明在2000年的汽車電子技術(shù)綜述就指出了MEMS技術(shù)在汽車傳感器領(lǐng)域的美好前景。設(shè)計(jì)了基于MEMS技術(shù)和智能化信號(hào)調(diào)理的擴(kuò)散硅壓力傳感器應(yīng)對(duì)汽車壓力系統(tǒng)的壓力檢測(cè)。

　　1 傳感器原理及封裝設(shè)計(jì)

　　為了將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)采用了應(yīng)變?cè)?，將惠斯頓檢測(cè)電橋通過MEMS技術(shù)制作在單晶硅片上。使得單晶硅片成為一個(gè)集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換為一體的敏感元件。如圖1所示。

　　圖1敏感元件

　　當(dāng)硅芯片受到外界的應(yīng)力作用時(shí)，硅應(yīng)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(cè)模式。如圖2所示。

　　圖2惠斯頓電橋

　　其輸出電壓表示為vo=KAR/R(Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4)。

　　因?yàn)殡娮璧淖兓苯优c應(yīng)力P有關(guān)，則：

　　式中：Vo為輸出電壓，mV;S為靈敏度，mV/V/Pa;P為外力或應(yīng)力，Pa;VB為橋壓，VOS為零位輸出，mV.

　　單一的硅片芯片只能作為一個(gè)檢測(cè)單元的一部分無法獨(dú)立完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測(cè)的能力。將圖2中的硅片芯片與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(xué)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?jí)毫η惑w和電極引線腔體。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3敏感元件封裝

　　如圖3的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進(jìn)壓的腔道后成為一個(gè)可安裝的壓力測(cè)量前端，見圖4。

　　圖4可安裝的壓力測(cè)量前端

　　此封裝技術(shù)可以承載至少15 MPa的壓力，若經(jīng)特殊處理可承載100 MPa的壓力。