关于压阻传感器的综述.docx

压阻传感器苏安明（上海大学 机自学院， 上海）摘要：压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。压阻式传感器也能够实现对压力、温度湿度、加速度和流量等一系列变量的测量。本文着重介绍了压阻传感器的基本原理，并介绍了基于MEMS的压阻传感器在压力、温度、湿度、加速度和流量测量方面的新型设计与应用。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。关键词：压阻式传感器；压力；温度；湿度；加速度；流量Piezoresistive SensorsSu An-ming（School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai）Abstract: Piezoresistive sensors are widely used in aerospace, aviation, marine, petrochemical, power machinery, biomedical engineering, meteorology, geology, seismic and other fields. Piezoresistive sensors can measure the pressure, temperature, humidity, acceleration, flow etc. This article highlights the basic principium of piezoresistive sensors, and introduces the new design of MEMS-based piezoresistive pressure sensors in measuring temperature, humidity, acceleration and flow . As the further development of Microelectronics and computer technology, the application of piezoresistive sensors will also develop rapidly.Key words: sensors; pressure; temperature; humidity; acceleration; flow目前，压力传感器种类很多，有振动筒式、石英波登管式、压阻式、应变片式等多种。其中振动筒式压力传感器虽然不确定度可达0.02%FS，但它仅适用于测量以气体为介质的压力，测压范围很小；石英波登管式压力传感器不确定度能达到0.02%，测压范围也很大，可达60MPa以上，但这种传感器结构复杂、成本高；应变式压力传感器测量上限一般不超过25MPa,不确定度为1%FS,目前市场上有上限达60MPa的这类压力传感器,但制作工艺较差,可靠性低,特别是1MPa以下的传感器,不确定度很难达到0.04%FS;压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应制成,它采用集成电路工艺,结构简单,测压上限可达到60MPa,具有工作可靠、耐腐性、抗干扰能力强等特点，国内有些厂家利用美国生产的传感器芯片，加上严格的组装工艺，其不确定度可达0.04%FS以上，在压力测量领域得到了较广泛的应用。压阻式传感器采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。压阻传感器压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压；频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。1. 压阻传感器原理1.1 压阻式传感器的基本原理电阻式传感器是将输入的机械量应变转换为电阻值变化的变化原件。电阻变换器的输入量为应变= L L，即材料的长度相对变化量，它是一个无量纲的相对值。通常=10-6为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量R R。电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应：（/）= ，且=E ，其中:是应力,是压阻系数，E是杨氏弹性模量,所以电阻的相对变化为：（ R R）E，则，应变片将应变转换为电阻输出量。1.2 供电及信号处理电路压阻式传感器可以用恒压源供电，也可用恒流源供电，但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题（图1）。假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R,当有应力作用时,两个电阻阻值增加,增量为R,另两个电阻阻值减小,减小量为R.由于温度影响,使每个电阻阻值都有Rt的变化量,因此,电桥的输出： 图1 恒压源与恒流源供电的比较（1）恒压：V=E(R R+ Rt )可以看出输出电压V与温度有关且为非线性，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。 （2）恒流：V=I R可以看出输出电压V 与温度无关，这就消除了温度对传感器输出信号的影响。 所以可采用如图（2）所示的恒流源供电电路，它采用双电源供电以避免共模干扰。 图2 恒流源供电电路 图3 放大电路1.3 处理电路 压阻式传感器的满量程输出信号为70-350mV不等，其输出阻抗很高，这就要求放大电路须有更高的输入阻抗，不从传感器输出端吸收电流，以免破坏传感器的工作状态，放大电路如图3所示。 图3电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益，失调电流、电压、噪声和漂移都很小图中A1A2组成第一级同相并联差动放大器，这一级的放大输出为V0=V01-V02=1+R1+R2/W1Vi，A1A2输入端不吸收电流，并且电路结构对称，漂移和失调相互抵消，具有抑制共模信号干扰的能力。2. 压阻传感器的新型设计及应用2.1 压阻传感器在测量流量流速上的设计及应用2.1.1 应用于微化工系统的压力传感器对微化工系统的压力传感器的关键要求有：嵌入式的微型结构;高化学忍受能力;在测量过程中对微流无干扰。我们的压力传感元件是一个1毫米的立方体，是可以嵌入任何地方的玻璃芯片。这种固定体积的装置可以把对微流的干扰最小化。此外，该传感器的隔膜是有多晶硅合成的，它有高度耐腐蚀性。图4给我说明了该传感器的基本结构，传感元件是一个1毫米的立方体，它包含有机硅制成的隔膜，玻璃制成的隔膜支持和金电极。外侧的隔膜有高耐腐蚀碳化硅涂层。只有这部分传感器暴露在腐蚀性液体当中，传感器被保护起来。隔膜上面的金属片作为灵活的传感电极使用。一个带图案的金属层把隔膜和隔膜支持连接在一起。在隔膜和隔膜支持之间形成了约1微米的空隙。当液体对隔膜产生压力时，隔膜发生形变，从而导致空隙发生变化，引起了电容的变化，改变了电极两端电压的大小。当外界压力过大时，隔膜支持支撑着隔膜，防止隔膜被冲坏，所以这个传感器具有耐高压的性质。图4 传感器的基本构成Fig. 4: Sectional view of the pressure sensor element这种压力传感芯片的安装也十分重要，图5和图6分别展示了这种传感芯片的嵌入式安装方式，很好的避免了对微通道中液体流动的干扰。传感器的宽度要大于微通道的宽度，这样才防止了对微通道的影响。 图5 微通道的剖视图 图6 嵌入式压力传感原件剖视图Fig. 5 : Sectional view of the microchip Fig. 6 : Sectional view of the microchip with an embedded pressure sensor element.2.1.2 一种新型硅压阻式流速流向传感器的设计微机械在测量流体的流速、流量和流向等方面有着巨大的应用前景。目前，测量流速、流量和流向的微机械器件主要可以分为传热式和非热式两类，现在传热式微流体传感器占据了主流的位置。 本文首次提出了一种基于压阻测量的非热式二维流速流向传感器，并对其结构参数和输出进行了理论计算和有限元分析。创新性地利用SU-8光刻胶作为结构部件并能够用单个部件实现对流速和流向的测量。 传感器的结构如图7所示，在硅衬底上制作4根相互正交的支撑梁，在4根梁的交点处用SU-8光刻胶制作竖直的立柱阻流体，分别在立柱和支撑梁的连接处制作4个压阻。压阻的连接方式如图8 所示，R1R2R3R4分别为4 根支撑梁上的压阻，R 为参考电阻。 图7 传感器结构示意图 图8 测量X、Y方向应力的惠斯通电桥传感器的工作原理如下：当传感器放置在流场中时，流体对立柱阻流体产生压力，这个压力的大小和方向与流体的流速和流向有关，立柱受到的压力会使4根支撑梁发生不同的变形，在4根支撑梁上将会产生不同的应力，通过梁上的压阻来测量支撑梁的应力变化，就可以得到流体的流速和流向信息。 考虑到加工工艺的限制，确定如下结构尺寸：每根支撑梁长1000 m、宽50 m 、厚10 m 。而用SU-8 胶制作的圆柱形阻流体直径200 m 、高500 m 。图9 是传感器的俯视示意图，实际上，因为需要用二阶张量描述电阻率，同时应力也是二阶张量，所以，精确完整地计算压阻效应需要用到四阶张量，这显然过于复杂。在本传感器中，将压阻分别布置在（100）晶面的100和1 10方向，长度为200 m 。考虑到立方晶体中压阻系数的对称性以及应力张量的本征对称性，同时相对长而窄的电阻布置决定了主要的电流密度和电场都是沿着电阻的长轴方向也就是100和110方向，所以压阻和应力的关系可以简化为： RR=l+l （1）R1R1=l1l1+t1t1=l1+t1t1=67.610-11x1 （2）R2R2=l2l2+t2t2=l2+t2t2=-61.710-11y2 （3）图9 传感器的俯视示意图将压阻连接成图8所示的方式，可以求得:V1V=R3R-R1R2RR1+R3=3-12（2+1+3） （4）V2V=R4R-R2R2RR2+R4=4-22（2+2+4） （5）根据上文所述应力的变化，可以得到压阻的变化率，从而得到电压输出的曲线。 图10 空气流速和电压输出的关系 图11 角度和电压输出的关系从而就可以根据电压的变化来计算出流速的变化，和确定流向2.2 压阻传感器在测量加速度上的设计及应用2.2.1压阻式硅微型加速度传感器的研制 硅微加速度传感器是MEMS 器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，因而在近年来发展迅速。本节给出了一种基于MEMS 技术制作的压阻式硅微加速度传感器的结构和工艺，并对制作的加速度传感器样品进行了动态测试，测试结果表明与理论设计值基本吻合。压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥，在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、四梁和双岛- 五梁等结构，弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等。质量块能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在大加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂，为此高gn 值加速度拟采用质量块和梁厚相等的单臂梁和双臂梁的结构形式，如图12、图13。图12 单臂梁结构 图13 双臂梁结构压阻式传感器的悬臂梁常采用CVD 工艺在硅片上外延生长一层外延层刻蚀而成，本文试用键合工艺制造压阻式加速度传感器。采用键合工艺的优点是能得到高质量的外延层，且悬臂梁的厚度通过硅片减薄工艺易于得到保证，精细的硅片单面研磨，厚度误差可以控制在0.5 m以内；且不需要电化学自停止腐蚀，依靠EPW腐蚀液对SiO2 的腐蚀速度极慢，使得腐蚀过程停止在SiO2 层上，从而保证了硅片减薄后的厚度即为弹性梁的厚度。制作的传感器芯片尺寸3mm 5mm，封装在陶瓷管壳中。选n 型硅片，晶向（100），直径为50mm，厚度为300 m，电阻率为5cm12cm。通过对被测试加速度传感器输出电压与加速度之间关系的分析，其基本属于线性关系，采用一元线性回归模型对被测试传感器数据进行直线拟合。对制作的加速度传感器样品，在马希特击锤上进行了大量的冲击标定测试，测试结果表明，设计和加工制作的加速度计样品在进行加速度冲击时有较好的信号输出，单臂梁结构加速度计的灵敏度为1V/gn；双臂梁结构的加速度计的灵敏度为1.6V/gn，与理论设计值基本吻合。2.2.2 压阻式复合惯性加速度传感器的研究压阻式复合加速度传感器是利用硅半导体材料的压阻效应来实现对线加速度和角加速度的测量,其核心部分是惯性式弹性敏感元件的结构，它的结构形式和性能直接决定传感器的性能，本节研制的轮辐式复合加速度传感器弹性体是一种整体式结构，如图14所示，由40CrNiMo经冷加工处理后加工而成，加配适当的阻尼系统、座基及壳体，构成一个压阻式复合加速度传感器，利用弹性梁的线性应变响应特性来实现对被测量的测量。图14 敏感元件结构原理图该弹性体由四根应变梁和内外轮缘构成，中心基座支撑，外轮缘为质量环（均布质量为M），每根应变梁上贴4片半导体箔式应变片，平行于轮幅平面的相对侧面上的，8个应变片两两互连组桥构成全桥电路可敏感线加速度a产生的微应变，垂直于轮幅平面的8个相对侧面的应变片组成的全桥电路可敏感角加速度产生的微应变。这种整体结构体积小、重量轻，可消除径向效应，在外形尺寸相同的情况下，增加应变梁的长度及将应变梁采用开槽设计，都可提高传感器的灵敏度。2.3 压阻传感器在测量温湿度上的设计及应用2.3.1 硅压阻式湿度传感器的研究 本文设计的压阻式湿度传感器的敏感结构中，是在n型Si (100) 方膜的表面上制作P 型湿敏电阻，压阻是沿着 110 晶向放置的，示意图如图1所示，当湿敏膜因外界湿度发生变化受到应力时，上下一对压阻因为受到横向应力而减小，左右一对压阻因受到纵向应力而增大。图15 传感器压阻分布结构示意图 图16 浓硼掺杂的单个压阻示意图但在这种情况下R/ R =0. 92 ( R/ R) 理想,即只有理想情况的92 %,这就大大降低了传感器的湿度灵敏特性。因此我们在拐弯处采用Al 引线来代替浓硼掺杂,如图17 所示,其单个压阻结构如图18 所示,压阻尺寸都不变。图17 改进的传感器压阻分布结构示意图 图18 来代替浓硼掺杂的单个压阻示意图本节中传感器的四个压阻构成惠斯顿电桥,得到输出信号，这要求压阻阻值相等，温度系数和湿度灵敏度系数也要相等，这要求四个压阻位置尽量靠近，压阻的形状几何尺寸一致，掺杂浓度也要均匀一致。为了提高压阻的匹配度，采用离子注入工艺，以代替扩散工艺来制备压阻。扩散电阻虽然工艺简单，但是精度比较低，其精度R/ R 一般控制在20 %以内，当惠斯顿电桥外接5 V 的电压，R/R = 1 %时，输出电压偏移为50 mV ，这严重影响电桥零点输出信号。在图17 结构中我们采用离子注入的工艺来制作压阻，离子注入掺杂浓度均匀，精度较高。实验分别对两种工艺制作的压阻进行了测试，定义了压阻的相对误差，相对误差= ( R - R平均) / R平均100 %,其中R平均= ( R1 + R2 + R3 + R4 ) / 4。实验数据表明，离子注入工艺提高了压阻的匹配度。实验结果表明此传感器在线性度和灵敏度方面都有所提高。2.3.2 基于MEMS工艺的压阻式湿度传感器的设计制作本节利用硅与聚酰亚胺两种材料的膨胀系数不同，聚酰亚胺膜吸湿发生膨胀，使聚酰亚胺和硅膜构成的双膜结构发生弯曲产生应力，由压阻进行测量。为了确定传感器结构，优化传感器尺寸，用ANSYS软件进行了模拟。并设计了湿度传感器的制造工艺，采用硅-硅直接键合的SOI 片、硅自停止技术有效地控制了硅膜的厚度。聚酰亚胺具有吸湿体积发生膨胀的特性，这种特性是可逆的，且水分子对硅的体积基本上没有影响。利用硅与聚酰亚胺的双膜结构，两种材料吸湿膨胀系数不同，从而使双膜发生弯曲变形，产生应力。在一定的湿度变化条件下，会有不同应力的产生。通过测量硅膜上的应力，即可得到相应的湿度变化。对应力的变化用四个联成惠斯通电桥形式的压阻进行测量，如图19(c) 所示。（）传感器的横截面示意图（）传感器的结构示意图（）湿敏压阻连接方式图19湿度传感器的结构示意图湿度传感器的基本结构示意图如图19所示，在类似于普通压阻式压力传感器结构膜上旋涂一层聚酰亚胺吸湿层，形成湿度敏感的双层复合膜结构。由于聚酰亚胺是由聚酰亚胺酸在高温下亚胺化形成的，从聚酰亚胺酸到聚酰亚胺时，它的体积会缩小，而硅膜的体积是不变的，因此会使膜向下弯曲产生应力，此应力就是常温下聚酰亚胺层上的机械残余应力p01 ，也是相对湿度为零时的初始应力。当湿度增加时,聚酰亚胺吸湿发生膨胀，会减少薄膜向下弯曲的程度。这时桥路输出电压Vp就有一定的输出值。对于膜片上应力分布用ANSYS 软件进行分析。由于ANSYS 没有湿度这一负载，而相对湿度引起膨胀与温度引起膨胀的原理类似，因此将湿度膨胀系数类比成热膨胀系数进行模拟仿真，增加多少相对湿度就相当于增加多少温度。聚酰亚胺在环境温度升高时，同样会发生膨胀，而且它的热膨胀系数可与吸湿膨胀系数相比拟，为此设计了一个温敏电阻可对湿度传感器进行温度补偿。由于铝的温度系数和铂相当，为0. 00 429 K-1，可用作测温电阻，不过铝的电阻率较小，为了获得较大的电阻值，将其设计成折形，铝的电阻率为2. 6510-8 m ，设计在室温下铝电阻条的阻值为55 左右。2.3.3 应用SU-8 粘合技术的微型压力、温度和湿度集成传感器本节介绍的是一种综合型的压阻式传感器，介绍了该集成传感器的设计思想、结构和制备过程，给出了实验和测试方法。该集成传感器具有体积小、成本低和可批量生产等优点，在环境监测和工业控制等领域应用广泛。该集成传感器由SU-8真空粘合技术制作的铂压阻压力传感器，铂电阻温度传感器和电容式湿度传感器组成。电容式湿度传感器选用聚酰亚胺作为敏感材料。为了确保蒸汽均匀地扩散到聚酰亚胺中，我们选用电场分布在聚酰亚胺，湿度传感器上电极呈正方形网格结构。压力传感器组成的硅膜上的选择铂电极为敏感材料，并形成一个真空密封腔与SU-8连接。硅膜的厚度和长度分别是15m和2000m，铂电极要覆盖多的硅膜，它的分布位置有应力分布来决定。图20综合压力、温度和相对湿度的集成传感器结构示意图Fig.20 Schematic diagram of the integrated pressure temperature , and relative humidity sensor图21给出了该集成传感器的加工流程图： （）湿度传感器，温度传感器和压力传感器的沉积（）氢氧化钾蚀刻工艺（）压力传感器与SU-8粘合图21 集成传感器的制作工艺Fig.21 Schematic fabrication process sequence of the integrated sensor通过新型设计和工艺，将压力、温度和湿度传感器集成在一个5.5mm3.5mm0.8mm的传感器上面，在每一种传感器都有很好的精度的基础上保证了组合后的集成传感器也有很好的精度。2.4 压阻传感器在测量压力上的设计及应用2.4.1 MEMS技术的智能化硅压阻汽车压力传感器本节介绍通过采用MEMS技术制造的硅压阻力敏元件结合智能集成化信号调理技术设计了适合批量制造的小型化坚固封装的通用汽车压力传感器。通过智能调理技术将传感器的零位和满度进行温度校准实现宽温度工作范围内的高精度测量，并且适合批量制造。当硅芯片受到外界的应力作用时，硅应变电桥的桥臂电阻将产生变化，一般都为惠斯顿电桥检测模式。单一的硅片芯片只能作为一个检测单元的一部分它无法独立完成信号的转换，所以必须有特定的封装使其具备压力检测的能力。将硅片芯片与PYREX玻璃环静电封接在一起。PYREX玻璃环作为硅芯片的力学固定支撑弹性敏感元件并且使硅芯片与封装绝缘，而PYREX玻璃环的孔恰好成为了传感器的参考压力腔体和电极引线腔体。其结构如图22所示。图22敏感元件封装在温度传感器的辅助作用下通过信号转换开关分时读取压力与温度的数值，通过可编程增益放大器将微弱信号放大，再经过ADC量化传感器的信号进入数字处理器计算当前温度和压力下的补偿后压力输出给数模转换DAC输出模拟信号。而温度补偿则可以通过通讯接口将参数写入EEPROM供数字处理器计算时调用。如此多的功能部件均可集成制作在一块单一芯片上，使得ASIC电路很容易和MEMS技术制作的压力敏感芯片封装在一个小巧的壳体中。在宽温度范围内实测校准后的传感器有效抑制了温度交化对其产生的影响。致谢 感谢章亚男老师对本文章的大力支持，在此表示感谢！参考文献：1 Yukimitsu Sekimori. PRESSURE SENSOR FOR