测控技术与仪器 毕业论文范文——压阻式压力传感器的设计与应用.doc

压阻式压力传感器的设计与应用摘 要 压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点 论文中介绍了国内外研究现状，分析了补偿方法，同时介绍了现代信号调理技术的发展 本论文应用智能化的模拟一数字混合信号调理技术，采用MAX1457.经调理后的传感器综合误差不超过0.1 %MAX1457是一种专用传感器信号调理芯片此芯片集成化程度较高，可以补偿硅压阻式压力传感器的温度误差和非线性误差论文首先介绍了MAX1457芯片的结构，分析了芯片的设计思路，在结合压力传感器自身特点的基础上，对传感器进行了一系列的调理，并介绍了相关的硬件电路及软件的核心代码关键字：压阻式压力传感器，信号调理，MAX1457Piezoresistive pressure sensor design and applicationAbstractPiezoresistive pressure sensor utilized piezoresistive effect of semiconductor material made of silicon sensor, and characterized in high sensitivity, fast dynamic response,high accuracy, good stability, wide operating temperature range, and easy-to-small and Miniaturization.This paper presents current research status domestic and overseas, and analyzation of compensation method, also modern signal conditioning technology.In this thesis, intelligent analog mixed-signal conditioning technology is adopt by using MAX1457. The post-conditioning sensor integrated error is less than 0.1%. MAX1457 is a special sensor signal conditioning chip.High integration level chip can compensate for silicon piezoresistive pressure sensor error and nonlinearity error.First, The paper introduces structure of the MAX1457 in combination with pressure sensors on the basis of their own characteristics, and signal condition circuits, then describes hardware design and software codes relevant.Keywords: Piezoresistive pressure sensor, Signal conditioning, MAX14571 绪论1.1 引言新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置它一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成传感器技术是当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，作为新技术革命和信息社会的重要技术基础，它与通信技术、计算机技术构成了信怠产业的三大支柱压力传感器作为传感器大家庭中的一个主要成员，在实际中有着非常广泛的应用前景其中利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的压阻式压力传感器具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和便于进行批量生产，使用方便等特点，因而获得日益重要和广泛的应用，是发展非常迅速的一种传感器[1]由于半导体的特性参数会受温度的影响而变化，因而压阻式传感器受到温度的影响后，将会产生很大的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，这是压阻式传感器最大的弱点，在生产实践中，需要在成品传感器出厂时对其进行温度补偿而压阻式压力传感器由于具有频响高,体积小，精度高，测量电路与传感器一体化等特点，相当广泛地应用在航天，航空，航海，石油，化工，动力机械，生物医学，气象，地质地震测量等各个领域在各种传感器中，压力传感器是应用最为广泛的一种。

目前国内市场上硅压力传感器的量程都在1kPa以上，更低量程的产品要依靠国外进口，因此进行更低量程的硅压阻式压力传感器的研究，实现相关技术公关对于促进硅压阻式压力传感器技术提高和相关产业发展有着实际意义针对国内外在硅压阻式压力传感器上的研究进展和产业化情况，从复合弹性元件的设计、芯片加工工艺、芯片无应力封装和后期动静态标定等方面指出了其深入研究方向压阻式压力传感器在汽车工业、航天工业和医疗卫生、军事等各个方面有着广泛应用[2]主要研究方向集中在：(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的硅压阻式压力传感器；（2）进一步提高灵敏度，实现低量程的硅压阻式压力传感器；（3）提高工作温度，研制硅高温压力传感器；在空间探索、半导体加工等许多领域有着广泛的应用，譬如：火星气压的测量、半导体加工中的许多工艺步骤真空度的控制等1.2 压力传感器的发展历程 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段[3]:〈1〉发明阶段（1945—1960年）：这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志此后，半导体材料的这一特性得到较广泛的应用。

史密斯与1945年发现了硅和锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量此阶段最小尺寸大约为1cm〈2〉技术发展阶段(1960—1970):随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的（001）或（110）晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能〈3〉商业化集成加工阶段（1970—1980）：在硅杯扩散理论的基础应证了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性，加工技术，主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低〈4〉微机加工阶段（1980—今）：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器，其线度可以控制在微米级范围内。

利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段1.3 国内外研究概括圧阻式压力传感器利用硅的良好的机械性能和电学性能，通过扩散或者离子注入的方法将力敏电阻注入到感压薄膜中实现了感压元件和转换电路的集成，其优点是输入和输出之间存在着良好的线性关系，制作工艺相对简单，而缺点是硅力敏电阻应变计固有的温度敏感性造成传感器必须实行温度补偿，另外，感压薄膜内集成的惠斯登电桥进行信号转换给传感器的进一步微型化带来了挑战[4]圧阻式压力传感器几十年的发展主要围绕转换元件和感压元件展开：一方面将力敏电阻应变计做的更加精确和更稳定，另一方面，则是对感压薄膜的结构和加工技术进行改进在这两者中，前者借鉴了如离子注入、精刻等大规模集成电路的现成技术，而后者成为了发展的焦点为了做好感压薄膜的结构，人们发展了硅各向异性腐蚀、自停止腐蚀、硅一玻静电键合等硅微机械加工技术，而感压薄膜的结构本着应力集中的原则经历了平膜结构——岛模结构——梁模结构的大致发展阶段平模的设计加工比较方便，通常用来制作中高量程的硅压传感器岛模结构中最流行的是1977年美国Endevco公司制作的双岛结构，它将力敏电阻应变计制作在2个岛之间以及岛与框之间的应力集中区，这样，在同等条件下可以获得较高的灵敏度。

由于4个力敏电阻应变计都受到横向的应力，具有相似的非线性特性，构成全桥时，非线性可以互相抵消，因此，器件的非线性可以做的很小岛膜结构适用于低量程压力的测量，利用双岛结构可以研制出量程在10kPa的硅微微压传感器梁膜结构由复旦大学在1989年为实现量程为1kPa的硅压传感器而提出的结构，可以看成为一个正面的哑铃形梁叠加在平膜上的结构，其结构特点时力敏电阻应变计制做作在应力集中的后梁区，这样，膜区的厚度不受力敏电阻应变计的限制，传感器的灵敏度就可以做的很高梁膜中的典型代表另外还有美国Honeywell公司在1992年提出的Ribbed and Bossed结构和德国柏林技术大学提出的类似结构1.4 课题来源及研究意义 圧阻式压力传感器起源于硅传感器的发展[5]，当MEMS技术迅速崛起之后，大大促进了硅传感器技术进步，各类硅传感器获得了商业化的广泛应用圧阻式压力传感器是商业化的硅传感器的重要组成部分，在汽车工业、航天工业和医疗卫生、军事等各方面有着广泛应用主要研究方向集中在：（1）将敏感元件与信号处理、较准、补偿、微控制器等进行单片集成；（2）进一步提高灵敏度，实现低量程的硅压传感器；（3）提高工作温度，压制硅高温压力传感器；（4）开发硅谐振式压力传感器。

在空间探索、半导体加工等许多领域有着广泛的应用，譬如：火星气压的测量、半导体加工中的许多工艺步骤真空度的控制等目前，国内市场上圧阻式压力传感器的量程都在1kPa以上，更低量程的产品要依靠国外进口，因此，进行更低量程的压力传感器及硅压传感器的研究，实现相关技术攻关对于促进硅压力传感器技术的提高和相关产业发展有积极的意义1.5 本文研究的内容1.5.1：研究硅压阻式压力传感器的工作原理；1.5.2: 设计桥式敏感元件的信号调理与采样电路；1.5.3：采用EDA工具设计原理图与电路板；1.5.4：编制软件代码1.6 传感器设计的主要结构框图2 圧阻式压力传感器原理与结构2.1 工作原理压阻式压力传感器是利用单晶体硅材料的压阻效应制成的[6]单晶体材料受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应根据欧姆定律，对于导体或半导体材料，其电阻R可用下式表示: R=ρL/A (2-1)式中 ρ---半导体材料的电阻率；L---半导体材料的长度；A---半导体材料的截面积；微分后得： dR/R=dρ/ρ+(1+2μ)dL/L (2-2)由半导体电阻理论可知：dρ/ρ=πσ=πEε，则式（2-2）可写成： dR/R=πσ+(1+2μ)dL/L=（πE+2μ）ε=Kε (2-3)式中 K=πE+1。