高溫微型壓力傳感器的制作工藝及應(yīng)用原理解析

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(duì)各種氣體、液體的壓力進(jìn)行測(cè)量。主要用于測(cè)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(dòng)機(jī)腔體內(nèi)的壓力、高溫油品液位與檢測(cè)、油井測(cè)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(duì)壓力敏感，對(duì)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(shí)，薄膜會(huì)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(cè)量電路對(duì)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(huì)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(shí)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(jì)的，其設(shè)計(jì)方案是把傳感器件與放大電路分離，通過(guò)模型識(shí)別來(lái)得到所測(cè)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(duì)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(cè)被測(cè)環(huán)境的溫度。金屬鉑電阻和硅膜片的參數(shù)為：0℃時(shí)鉑電阻值為1000Ω;電阻率為1.0526316×10-5Ω·cm;密度為21440kg/m3;比熱為132.51J/（kg·K）、熔斷溫度為1769℃，故鉑電阻可加工為寬度為0.02mm;厚度為0.2μm;總長(zhǎng)度為3800μm，制作成鋸齒狀，可在幅值為10V的階躍信號(hào)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50pF。具體工藝流程圖如圖1所示。

2　基于識(shí)別技術(shù)的模型及其仿真

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，其方程式為

UO（s）=G（s）Ui（s），

其中　UO（s）和Ui（s）分別為輸出和輸入信號(hào)，當(dāng)輸出、輸入信號(hào)及系統(tǒng)的階數(shù)已知，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)按一定的準(zhǔn)則來(lái)識(shí)別G（s）的模型參數(shù)，為模型識(shí)別。本文主要闡述應(yīng)用模型識(shí)別的方法來(lái)確定處于高溫環(huán)境下的電容式壓力傳感器的電容值。

2.1　電路模型

基本電路是由一個(gè)金屬鉑電阻和一個(gè)電阻式高溫壓力傳感器構(gòu)成（如圖2）。

金屬鉑電阻對(duì)溫度變化敏感，若選用零度時(shí)電阻值為1000Ω、溫度系數(shù)為3851×10-6/℃的鉑電阻，其溫度變化范圍從-50～350℃時(shí)，相應(yīng)的電阻從803.07～2296.73Ω。由電阻的變化可測(cè)得環(huán)境的溫度。壓力傳感器在不同壓力下有不同的電容值，因此，在同一溫度下，輸入同一交流電壓信號(hào)時(shí)，其輸出信號(hào)不同。

2.2　系統(tǒng)在時(shí)域范圍的算法

圖2電路所示的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

式中UO為輸出信號(hào)；Ui為輸入信號(hào)；R為電阻；C為電容；t為時(shí)間。

利用MATLAB繪制單位階躍響應(yīng)曲線如圖3。

從圖3中可看出，該系統(tǒng)穩(wěn)定、無(wú)振動(dòng)。響應(yīng)曲線的斜率為：

對(duì)式（2）進(jìn)行變換得

從式（3）得，以lg［1-UO（t）］為縱坐標(biāo)，t為橫坐標(biāo)，可得出通過(guò)原點(diǎn)直線，從直線的斜率可求得常數(shù)RC的值，已知R則可得出C，從而得出壓力。

2.3　模型識(shí)別

基于上述思想，若已知輸入、輸出信號(hào)，可通過(guò)曲線擬合及線性回歸法得出RC。對(duì)式（3）進(jìn)行擬合，在擬合過(guò)程中，加入一定的白噪聲。若R=1000Ω，電容C=50pF，則擬合曲線如圖4所示。

擬合參數(shù)最大時(shí)為5.037×10-8，最大相對(duì)誤差為0.78%。當(dāng)溫度變化時(shí)，金屬鉑電阻值發(fā)生變化，在不同的溫度下擬合的電容值和溫度的關(guān)系如表1所示（加入1%的白噪聲）。

1可見(jiàn)，擬合的電容誤差小于1%。由此可見(jiàn)，在不同的時(shí)刻測(cè)得UO（t），通過(guò)曲線擬合得出參數(shù)RC。再給電路加小信號(hào)直流電源，測(cè)出R值，即求得C，通過(guò)C值則可知被測(cè)環(huán)境的壓力。圖5為350℃時(shí)，不同的壓力所對(duì)應(yīng)的電容的理論值和實(shí)驗(yàn)值，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）可得，在測(cè)壓的過(guò)程中，利用模型識(shí)別的方法，誤差較小，其測(cè)壓誤差小于2%。

3　結(jié)束語(yǔ)

基于模型識(shí)別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器電路簡(jiǎn)單、工藝成本較低、體積小、可批量生產(chǎn)、準(zhǔn)確度高。該傳感器避免了電阻式高溫壓力傳感器的自補(bǔ)償電路在高溫環(huán)境下工作時(shí)熱靈敏度漂移引起的誤差，也避免了其它電容式高溫壓力傳感器非線性補(bǔ)償電路在高溫環(huán)境下工作。該傳感器適合在各種高溫環(huán)境下測(cè)量氣體或液體的壓力。