基于面向微機械電子技術的自動化測量傳感器設計研究

代響林

（黃淮學院，河南駐馬店，463000）

0 引言

在現代科技發展過程中，傳感器是一項與通訊、電腦同等重要的成果。傳感器的用途非常廣泛，可以用于各種工業，隨著對環境質量的不斷提高，傳感器的智能化、自動化、微型化也越來越多。本技術由微電線路、微電機、微探測器三大部分構成。微檢測器，即微感應器，是微細發展過程中使用最多的一個方面，它的特點是靈敏度高,結構很小。因此，本文以一種常見的自動壓力傳感器為研究對象，進行了面向微機電子技術的自動檢測傳感器的設計。本論文的研究內容包括：理論與應用實驗兩個方面。前者包括：敏感膜片設計、轉換元件設計、信號調整轉換電路設計；主要包括傳感器的界面和工作流程的設計。后者則根據前者的設計，對實際的感應器進行測試，以確定感應器的性能是否符合要求，以及能否投入使用。本文旨在為微型傳感器的生產、制造和應用提供一定的借鑒，并對其在實際應用中的發展起到一定的推動作用。傳感器是一種新型的探測設備，它在各行各業的發展中占有舉足輕重的地位。在此基礎上，提出了一種基于微機電技術的新型自動測量傳感器的設計方法。通過對以微型機電技術為基礎的自動檢測傳感器的設計，可以為改進其性能提供參考。

1 傳感器與微機械電子技術概述

■1.1 傳感器

傳感器的興起，為科技的發展打下了良好的基礎。它是一種以電信號為基礎的傳感器，它包括敏感元件、轉換元件、轉換電路和輔助電源。該檢測設備可將探測到的信息轉化成電子信號，或以其他方式輸出，用于各種工業、領域設備的探測。從本質上講，傳感器在獲得目標的信息方面起著很大的作用。目前，傳感技術已在工業生產、海洋探測、生物工程等各個方面得到了廣泛的應用，并在一定程度上促進了人類社會的進步。

■1.2 微機械電子技術

微機械電子技術是集成電路和機械零件制造中應用最廣泛的技術，也是制造傳感器的關鍵技術。該技術在生產過程中，可以最大限度地減少所生產的電路和部件，使其達到最大限度的自動化和智能化。從根本上講，它是一種以微機械和電子學為基礎的微型驅動器和傳感器，是當今世界發展的主要設備。因此，微型機電技術具有很好的應用價值。

2 面向微機械電子技術的微傳感器設計方案

微機械電子是當今科技發展的一個典型的例子，它既保留了零件的功能，又把零件進行了簡化和組裝；它被植入到其他儀器之中，充當儀器的角色，進行數據的收集和監控。由于微型機電設備的應用范圍和應用范圍的限制，本文針對的是壓力傳感器。壓強傳感是以歐姆原理為基礎，利用壓阻特性對其進行估計的。在外部對一個半導體器件（靈敏薄膜）施加一定的壓力后，這種應力就會產生相應的應力，從而引起電橋的電荷同步改變；通過歐姆原理，可以將其轉換成真實的壓強。

電阻變化數學公式表示如下：

當半導體材料（敏感膜片）未受到力的影響前，4 個電橋一直處于平衡狀態，這時的輸出電壓=0。其公式表示如下：

式中，R1、R2、R3、R4 代表惠斯頓電橋4 個橋臂的電壓值。而外界給予半導體材料（敏感膜片）一定壓力時，與之相連的電橋將失去平衡，這時電壓輸出表示公式：

當R1、R2、R3、R4 都等于相同一個值時，可以簡化為：

式中，Vi為供電電壓。

設計之前必須先對其進行設計，包括：靈敏膜片、轉換元件、信號調節轉換等；傳感器接口電路設計，傳感器工作程序設計。本文根據微壓元件的構成，將其設計分成：感應膜片設計、轉換元件設計、信號調整轉換電路設計；系統的界面和工作流程的開發。以下是對上述設計單元的詳細介紹。

■2.1 敏感膜片設計

敏感膜片是自動測量系統中最重要的元件，它可以直接感知到被測到的物體，它是外部力的唯一觸點，也是輸出電壓的來源。感光膜，其實是一種彈性膜，它的彈性非常好。這種薄膜的設計方法有四種，分別是：硅微加工、鍵合、LIGA 和準分子激光。本文選取了硅微細加工技術中的MEMS 刻蝕技術，并對其進行了詳細的設計。

第一步：挑選敏感薄膜的基板，即感光元件的載體。此處，以單晶硅為基板，用作感光薄膜。

第二步：對單晶硅進行加工。在生產感光膜時，要保證單晶硅沒有損壞，要經過打磨、拋光，然后再進行清潔，以除去表面的污垢。然后，等待刻蝕。

第三步：刻蝕活性標記物，即制作配準標志和劃片框；

第四步：采用掩膜層，即用一種保護性的薄膜覆蓋在單晶硅的表面；

第五步：將變阻器的歐姆接觸區打開，即在硅片的后面去掉一些硅，從而形成一個空腔；

第六步：將離子注入接觸區域，制成變阻器；

第七步：將單晶硅的標準清洗；

第八步：淀積SiO2作為隔離層；

第九步：利用磁控濺射法將Ti-Pt-Au 鍍于玻璃薄片上，從而形成電極板；

第十步：對電極孔區、引線區進行光刻；

第十一步：將單晶硅薄板減薄；

第十二步：把硅片和玻璃粘接；

第十三步：包裝。為了確保敏感晶片不會受到外界的腐蝕，并確保其靈敏度和精確度，必須使用隔膜將敏感薄膜與測試介質分開，避免受到污染或損壞。

■2.2 轉換元件設計

本文所用的自動測試傳感器是一種以壓阻效果為基礎的微壓式壓力傳感器。壓敏電阻器是通過感應薄膜感應到的應力，把它轉化成一個電阻器，再把它與給定的電源電壓相連接，從而把它轉化成一個電流信號，所以它的結構非常關鍵。在進行變阻器的設計時，應考慮到：一定要保證摻雜的均勻度；電橋應采用開放式的環形結構；雜質種類及濃度的選取。

■2.3 信號調節轉換電路設計

信號調節轉換電路的作用是進行信號放大調制和濾波，提高信號質量。圖1 為自動化測量傳感器設計的信號調節轉換電路。

圖1 自動化測量傳感器的信號調節轉換電路設計圖

■2.4 傳感器接口電路設計

由于所設計的自動測試元件主要是由微型機電系統構成，所以必須要與其他外部設備相結合，所以傳感器的接口設計是否合理，能否充分地利用到傳感器的信息。圖2 是一種與外部裝置相連接的已設計的傳感器的界面電路圖。

表1 傳感器各個接口電路管腳功能表

圖2 傳感器接口電路設計圖

傳感器接口，也被稱為管腳，它是電路內部與外圍設備連接的接口，所有的引腳就是這傳感器的接口。在圖3中，傳感器管腳有14 個，每個管腳所起到的能各不相同。

■2.5 傳感器工作程序設計

以上涉及的自動檢測傳感器的設計都是以硬件為基礎的，另外還要為其工作流程的編制與設計，為其工作的邏輯上的指引。感測器工作流程，也就是收集資料的方法。收集程序的步驟是：

第1 步：對感測晶片進行初始化；

第2 步：對單個的線路進行初始化；

第3 步：等候收集指令；

第4 步：判定收集指令是否已經抵達？如果達到，就進行下一個步驟；如果沒有，就轉入一個低功率的模式，再返回之前的一步；

第5 步：感應被測量的數量；

第6 步：通過變換單元把所測數據變換成電信號；

第7 步：通過調整變換器，對電子信號進行放大和過濾；在濾波器的收集工作結束后，由于其原始數據含有較多的噪聲，從而遮蔽了有用的信息；所以，需要采用調整變換器進行濾波；

第8 步：收集的時刻已經到來了嗎？如果達到，就會被打斷；或者，發射所獲取的接收方；

第9 步：要進行下一次的收集嗎？如果進行下一次的收集，返回至第5 步；如果沒有，請等一下關掉指令，然后把所有的感應器都關掉。

3 傳感器性能檢測

面向微機械電子技術的自動化測量傳感器理論設計完成后，還需要按照設計方案制成成品，以對傳感器性能進行驗證，判斷設計中存在的問題，并進行改進和優化。

■3.1 傳感器材料準備

根據上述自動化測量傳感器理論設計，準備相關材料，為一種微型壓力傳感器制備做準備。傳感器制備材料如圖3所示。

■3.2 自動化測量傳感器組裝

將上述物質裝配到如圖3 所示的那樣，就可以進行自動的檢測感測器了。因為后面的測試項目是不一樣的，6 個完成的樣品，見圖4。準備好的自動測試裝置的最終產品的期望準則如下：

圖4 自動化測量傳感器成品示意圖

精度：≤%F·S±0.1；非線性：≤%F·S±0.1；遲滯性：≤%F·S±0.1；重復性：≤%F·S±0.1。

■3.3 傳感器測試方案

傳感器的檢測內容有六個方面：精度，可靠性，靈敏度；非線性，遲滯，重復性。

（1）精度測試

準確度是指由感應器獲得的測量數據和對其施加的真實壓力的測量結果的偏差。采用通用式壓力儀，將所述感應器置于所述試驗機的底板下面，并設定所述的加壓數值（5 MPa、10MPa、15MPa、20MPa），并反復進行10 次以上的實驗，得到絕對值，并與所述真實的壓強進行差；并求檢驗差異 P＜% F.S+0.1。在圖5 中顯示了準確率試驗的方案。

圖5 精度檢測現場

（2）可靠性

傳感器的可靠度主要是對接觸面的密封性進行測試，即有沒有空氣泄漏或泄漏。為了解決以上兩種情況，采用了一種壓力計和一種電壓計。前者的合格基準是：平均水平＜0.05%的均勻壓強，說明該界面沒有泄漏問題；而對于接觸面的質量要求則是，其絕緣電阻應大于50 MΩ，說明該接觸面沒有泄漏的問題。

（3）靈敏度S

靈敏度是指傳感器隨著輸入量變化而導致輸出量變化程度。測試所需要數據來自圖5 裝置測量所得數據。

式中，C代表傳感器輸出量的增量；g代表傳感器的初始電壓值與電極之間的距離；C0代表傳感器初始電壓值；Pm代表膜片中心最大撓度等于常數d時的最大壓力。P代表外界氣體的壓強。

（4）非線性度RL

非線性度是指按照時間序列，自動化測量傳感器輸出的測量值繪制的曲線與實際壓力曲線之間的擬合偏差。測試所需要數據來源同上。

式中，?Lmax 代表自動化測量傳感器輸出的測量值繪制的曲線與實際壓力曲線之間的最大偏差；FYS 代表滿量程輸出電壓值。

（5）遲滯性YH

遲滯性是指全量程范圍內，在同一試驗點輸入值增加和減少時，二者輸出電壓值之間的最大差值。測試所需要數據來源同上。

（6）重復性F

相同測試條件下，連續多次測量結果之間的符合程度。測試所需要數據來源同上。公式如下：

式中，a代表貝塞爾標準差。

本文所述的小型自動壓力測試器的測試數據見表2。通過與以上的傳感器檢驗符合要求的檢驗標準相比較，所得到的測量值都符合標準的要求，從而驗證了所研制的傳感器滿足了要求，能夠應用在真實的壓力試驗中。

表2 自動化測量傳感器性能檢測結果

4 結語

總之，該儀器應用范圍很廣，能夠對各類參數進行測量和測試，為用戶提供了很好的數據收集服務。但是，在對傳感技術進行了不斷地探索之后，這種傳感技術正朝著更為精密的方向發展。本文著重于敏感元件、轉換元件和各類元件的設計，并根據已完成的元件測試，判定其是否達到了產品的質量要求。測試結果表明，所研制的傳感元件的性能滿足要求，結構合理，可推廣使用。但是，由于測試的各個環節都是在一個比較理想的工作條件下進行，而且由于傳感器的工作條件比較苛刻，所以測試的數據與現實有很大的偏差；為了使該傳感器的工作特性得到更好地改善，需要對其進行深入的研究和測試。