菲爾斯特的MEMS微機(jī)電技術(shù)和MPT微組裝工藝

建立在微米/納米基礎(chǔ)上、采用MEMS（微機(jī)電）技術(shù)的壓力傳感器，體積小、重量輕，可以提供更高的精度、更低的功耗、更好的穩(wěn)定性和一致性、以及工作在極端溫度、濕度環(huán)境下的超強(qiáng)能力，是行內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)。此技術(shù)由菲爾斯特中國(guó)研發(fā)并推出。它通過(guò)集成Firstrate獨(dú)有的數(shù)字傳感器和Cecure-M附件，消除了傳感器上的微調(diào)電位器，保證調(diào)試后數(shù)據(jù)不受干擾，從而更好的為高科技工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、航空、真空系統(tǒng)等領(lǐng)域服務(wù)。Firstrate壓力傳感器擁有±0.05%FS端點(diǎn)精度或0.1%FS讀數(shù)精度，確保測(cè)試結(jié)果在整個(gè)測(cè)試過(guò)程的穩(wěn)定可靠。對(duì)環(huán)境溫度的影響幾乎可以忽略不計(jì)，其寬溫度范圍內(nèi)的溫度誤差僅為　　一、先進(jìn)的MEMS（微機(jī)電）和MPT（微組裝）工藝；

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS， Micro-Electro-MechanicSystem）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。MEMS技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料，因此從制造技術(shù)本身來(lái)講，MEMS中基本的制造技術(shù)是成熟的。但MEMS更側(cè)重于超精密機(jī)械加工，并要涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。

隨著電路及工業(yè)發(fā)展，多芯片模塊（MCM）技術(shù)、倒裝芯片（FC）和多層陶瓷基板技術(shù)的發(fā)展，在高密度多層互連電路板上，運(yùn)用組裝和封裝工藝，把微小型電子元器件組裝成高密度、高速度、高可靠性立體結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品，這種高密度組裝技術(shù)就是微組裝技術(shù)（micro-packagingtechnology）。

硅膜片的厚度每差3～4μm，即影響壓力傳感器的一個(gè)量程，硅膜片厚度的精度影響傳感器的成品率和一致性。因此，在這個(gè)數(shù)量級(jí)尺寸上操作完成膜片與其它部件的連接而不影響單晶硅的性能是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。加之MEMS與宏觀機(jī)電系統(tǒng)相比，許多物理現(xiàn)象有很大的區(qū)別。比如，隨著尺寸的減小，與尺寸3次方成比例的像慣性力、體積力及電磁力等的作用將明顯減弱；而與尺寸2次方成比例的像粘性力、表面力、靜電力及摩擦力等的作用則明顯增強(qiáng)，并成為影響微機(jī)械性能的主要因素。宏觀機(jī)械常使用的計(jì)算方法和理論將不再適用。

杰出的Firstrate工程師結(jié)合微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)發(fā)展的成果，運(yùn)用綠色環(huán)保的無(wú)鉛焊接工藝，完美的實(shí)現(xiàn)了單晶硅片與其它部件之間的無(wú)損連接。MEMS器件的體積得到極大的縮小，與普通的器件體積減小90%以上的同時(shí)，功耗也降低了80%以上。

二、先進(jìn)的溫補(bǔ)技術(shù)

材料特性決定了硅壓阻式壓力傳感器在輸入壓力P數(shù)值不變的情況下，當(dāng)工作溫度t變化時(shí)將引起傳感器輸出發(fā)生變化。為了消除非目標(biāo)參量（溫度）對(duì)傳感器輸出特性的影響，可采用多種智能化補(bǔ)償技術(shù)。

目前，軟件補(bǔ)償方法主要有插值法、曲線曲面擬合法、查表法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。在插值法中，數(shù)據(jù)假定是正確的，要求以某種方法描述數(shù)據(jù)之間所發(fā)生的情況。曲線擬合方法就是設(shè)法找出某條光滑曲線，它是最佳的擬合數(shù)據(jù)，但不必要經(jīng)過(guò)任何數(shù)據(jù)點(diǎn)。查表法是預(yù)先將一系列參數(shù)裝人一個(gè)參數(shù)表內(nèi)，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行處理。查表法需要占用很大的存儲(chǔ)空間，不適用于微處理器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法通過(guò)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并通過(guò)樣本訓(xùn)練確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

Firstrate采用針對(duì)硅壓阻式壓力傳感器溫度漂移問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于因子分析和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的補(bǔ)償方法，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一類特殊的3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是典型的局部逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有學(xué)習(xí)快、不會(huì)陷入局部最優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是新穎有效的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有較高的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的非線性映射能力，能以任意精度全局逼近某非線性函數(shù)。該方法通過(guò)因子分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始信息的篩選和降維，既減少數(shù)據(jù)冗余，又排除相關(guān)、重復(fù)數(shù)據(jù)的影響，形成新的訓(xùn)練樣本集。結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射、自適應(yīng)能力和強(qiáng)容錯(cuò)性對(duì)補(bǔ)償過(guò)程進(jìn)行建模，減少了網(wǎng)絡(luò)的輸入，利于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而加快收斂，節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率與泛化能力?；谝蜃臃治龅腞BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效解決了傳感器在大范圍環(huán)境溫度變化情況下靜態(tài)電壓零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移的問(wèn)題，提高了傳感器的穩(wěn)定。

Firstrate自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)系統(tǒng)在溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)的更新校驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。系統(tǒng)首先打開(kāi)內(nèi)部傳感器實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)數(shù)據(jù)文件，將物理量和輸出毫伏數(shù)讀人到內(nèi)存變量，并設(shè)置多媒體定時(shí)器參數(shù)，根據(jù)所選通道及采樣速率，下載掃描表，啟動(dòng)采集裝置進(jìn)行采集。通過(guò)定時(shí)器中斷服務(wù)程序及GPIB總線，將傳感器實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)輸出的毫伏數(shù)送給程控電源，待采集到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將采集緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，記錄保存。通道校驗(yàn)完成后，計(jì)算通道斜率、截距、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相關(guān)系數(shù)，并顯示校驗(yàn)結(jié)果，將校驗(yàn)數(shù)寫(xiě)入采集數(shù)據(jù)庫(kù)，保存至自校文件中，當(dāng)保存文件名在當(dāng)前目錄中存在時(shí)，程序?qū)⒃募浞莺蟊４嫖募Ｗ詣?dòng)校準(zhǔn)完成。

三、優(yōu)異的感應(yīng)（彈性）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硅壓阻式微傳感器的壓力靈敏度除與硅膜片的厚度、大小、壓敏電阻阻值大小有關(guān)外，還與電阻在硅膜片的分布方位及在硅膜片上的位置有關(guān)。通過(guò)有限元分析，F(xiàn)irstrate的研究人員分析了壓敏電阻構(gòu)成的電橋電路其輸出電壓靈敏度與電阻所處位置和方向的關(guān)系，求出傳感器的壓力靈敏度極值及其條件；分析了電阻的縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)與方向的關(guān)系，并求出其極值，找出了線性與輸出值綜合最優(yōu)的位置。

要保證壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定，如何提高傳感器的過(guò)載能力顯得尤為重要。利用有限元分析法，F(xiàn)irstrate的工程師們?cè)诒ＷC傳感器滿量程范圍內(nèi)線性響應(yīng)的前提下，調(diào)整犧牲層厚度，通過(guò)彈性膜片與襯底的適當(dāng)接觸，有效的提高了傳感器的過(guò)載保護(hù)能力。使產(chǎn)品達(dá)到300%FS過(guò)壓自恢復(fù)，500%FS破壞壓的能力。