【《压力差传感器关键技术参数设计案例》5300字】

压力差传感器关键技术参数设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u11177压力差传感器关键技术参数设计案例 12381.1引言 1284151.2压力传感器芯片设计 1192971.2.1压敏芯片电阻条设计 1127801.2.2引线电极设计 4319771.3波导管防干扰设计 528221.4整体接口电路设计 647661.4.1求差电路设计 7103641.4.2滤波电路参数设计 9229441.4.3PCB设计 10173901.5压力传感器封装结构耐压设计 121.1引言本章节将对本论文工作中研究的上述关键部分的设计进行更近一步的设计介绍。主要包括压力敏感芯片中电阻条的设计，以及引线电极的设计。压敏电阻条根据压力受力仿真和功耗散热等综合考虑，确定了位置和面积大小。引线电极根据实际应用需求，确定了设计方案。同时，根据应用需求，设计了接口电路，主要包括滤波电路和求差电路，设计了滤波电路的高频截止频率，并完成了相应的PCB电路板设计。此外设计了波导管防屏蔽的参数计算和设计，确定了波导管的截止频率。同时完成了封装结构设计，主要是对封装结构的耐压计算，使得本设计的压力差传感器能够耐受住使用中需求的高压力。下面将会对各个部分进行详细的介绍。1.2压力传感器芯片设计1.2.1压敏芯片电阻条设计本论文研究工作中，在设计压力敏感芯片的时候，需要将设计的参数先使用软件仿真，从而达到生产制备的一次成型，提高成功率。将布置在弹性膜上的力敏电阻因受应力而引起阻值的变化，作为感测流体压力的元件。可见，不仅要知道膜上应力与膜的大小及厚度的关系，还需要知道应力在膜中的分布，使力敏电阻布置在最高应力处，从而提高芯片的灵敏度。当芯片满量程输出时，通过计算膜片最大应力应小于或是接近弹性极限内允许的最大应力时，则量程的计算便是正确的。硅的弹性极限是8×107Pa，相应的应变为500με。利用有限元分析软件ANSYS，可以对压力敏感芯片弹性膜片三维结构的静态力学进行分析，确定出电阻条的合理位置、尺寸与厚度。压力敏感芯片采用正方形膜片，经过查询资料可知，这里仿真取单晶硅杨氏模量EX=1.6895×1011Pa，EY=1.6895×1011Pa，EZ=1.3002×1011Pa；硅的塑性屈服强度为7000MPa；泊松比为：PRXY=0.0625，PRYZ=0.2785，PRXZ=0.2785；压力取极限压力25MPa；电阻条的厚度d=200nm，电阻条的设计为长L=50μm，宽W=10μm；密度取ρsi为2.35g/cm3，电阻率为0.1Ω·m。图3-1和图3-2所示分别是使用有限元分析软件ANSYS采用上述参数模拟对应力沿X轴方向的分析结果。图3-1沿表面X轴方向的应力分布图3-2X方向应力分布云图由ANSYS分析可知，确定压力敏感芯片的桥臂电阻应放置在应变膜片边缘中心处的矩形范围内。根据压力敏感单元的结构尺寸及电阻条的几何参数，按照半导体微电子器件设计要求，进行了压力敏感单元的版图设计。版图设计中要考虑到在不降低弹性膜片的过载能力的条件下，电阻条的合理布置和设计以及可靠性。同时从散热方面考虑，为使电阻的发热和散热达到平衡状态，要尽量降低芯片的功耗。在掺杂浓度为3×1018cm-3时，电阻的电阻率ρ为2.14×10-2Ω·cm。考虑到SOI电阻条的厚度d=200nm，长为L，宽为W，则单个电阻条值如下式所示：（3-1）考虑到敏感芯片的整体散热面积，需要使单位面积功耗Ps≤5×10-3mW/μm2，而单位面积的功耗为：（3-2）本课题研究所用电桥的输入电压为AD580芯片转换后的2.5Ｖ，那么在没有压力的状态下，加载在每个电阻上的电压V为2.5V，代入式（3-1）和式（3-2），得到L≥35μm，W≥8μm。同时考虑到电阻条的平面尺寸越大对掺杂均匀性的要求也就会越高；而电阻条过窄的情况下，则电阻条阻值误差较大，同时工艺水平也影响加工尺寸。综合考虑电阻条的设计为长L=50μm，宽W=10μm。图3-3所示为本论文设计的压力敏感芯片的版图设计，其中图中间部分的红线框所示区域为四个压力敏感电阻桥臂的设计。图3-3压力敏感芯片的版图设计1.2.2引线电极设计本课题研究的设计中采用了SOI单晶硅基片制作的压力敏感芯片取消PN结的结构，SOI压阻式压力敏感芯片。如果采用低掺杂工艺制作，在电极引出处还需要进行高掺杂做欧姆接触，同时也增加了退火工艺，增加了工艺步骤，提高了成本，降低了产品的可靠性，这种敏感芯片只能采用金属作为引线，使电极的引出长度加长，产品在高温中使用的可靠性降低。解决的方法有如下两个步骤：（a）采用高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器结构采用高掺杂工艺制作敏感电阻和引线，在电极引出处不需要单独进行高掺杂做欧姆接触，同时减少了一步退火工艺，降低了成本，提高了产品的可靠性。该传感器采用浓硼作为引线，只在内引线引出部分使用点电极用一小块金属作为压焊点，使金属电极的尺寸极小（200微米×200微米）。采用高掺杂敏感制作电阻和引线及点电极的另外一个优点是可以使用高温氧化层将敏感电阻和引线部分保护住。取消了通常采用的PECVD低温钝化工艺，在减少工艺步骤的同时，避免了低温钝化层疏松、保护效果差的弊病，提高了产品的可靠性。高掺杂点电极压力敏感芯片结构如图3-4所示。图3-4高掺杂点电极压力敏感芯片结构（b）采用多层电极一般压力敏感芯片的工作电流为毫安级，通常将电极设计的较宽，当工作温度在200℃以内时，铝电极可以保证可靠工作。但是，当工作温度超过200℃时，由于热电应力作用，铝/硅界面退化产生溶坑，铝向硅的热电迁移造成欧姆接触变坏，导致铝引线系统不能保证传感器稳定工作，因此必须采用复合电极作为高温SOI传感器电极引线。本设计的高温电极采用多层结构，即用铂硅来形成对硅的欧姆接触，而后用三层金属：钛、铂、金来完成金属化系统。在光刻引线孔后溅射铂，经700℃热处理后在接触窗口上硅与铂形成Pt5Si2合金，然后去掉引线孔以外的铂，再依次溅射钛和铂，最后蒸发或镀覆金层。在三层复合电极中钛作为粘附层，把引线孔内的Pt5Si2金属粘合起来，最外层金作为导电层，为了防止金与钛反应形成高阻化合物，中间夹着一层铂作为过渡层，起到阻挡作用，从而解决引线电极在高温环境中对可靠性的影响的难点。刻蚀工艺是多层复合电极制作过程中一个很重要的环节，它的好坏直接影响高温环境中压力敏感芯片的成败。采用干法湿法结合的刻蚀方法是最好的一种方法，具有速率高、成品率高、图形完整等特点，刻蚀后对掩膜层光刻胶的侵蚀较小，干法刻蚀后可以直接进行浓硫酸的湿法腐蚀。1.3波导管防干扰设计本压力差传感器根据波导管屏蔽原理——大于波导管截止频率fc的干扰信号可以被通过，而小于截止频率fc的干扰信号被吸收或损耗，而设计了一种基于波导管的防电磁干扰结构，其原理和公式在2.5章节有比较详细的介绍。常见的波导管有圆形，矩形和六角形等。本论文研究的课题设计了一种适合本压力差传感器内部安装使用的波导管屏蔽结构件，目的是为了解决压力差传感器的抗RS103干扰的问题。RS103干扰是指频率在10kHz~40GHz的电磁场辐射干扰，是需要尽量减少的一种电磁场辐射干扰。图3-5所示为本课题研究所设计采用的波导管防电磁干扰屏蔽件外形。其设计在压力差传感器内部，并设计了一种适合安装的波导管结构件，安装在传感器基座电连接器安装孔上方，连接导线通过波导管孔腔接到电路板上。图3-5本毕设波导管屏蔽件外形波导管功能设计计算如下：a）波导管截止频率为：（3-3）b）波导管吸收损耗的干扰量为：（3-4）c）干扰信号通过波导管减少的能量为：（3-5）其中公式中参数d为图3-6中的孔直径ΦC。通过在外部安装结构上采用波导管电磁屏蔽法综合设计较好的解决了该传感器的电磁兼容性，具体结果会在后续的测试部分中展示出来。1.4整体接口电路设计本课题研究目前完成了整体电路接口的设计，其主要包括恒压源与恒流源的电源转换，求差电路的设计，以及滤波电路的设计。其原理在2.3和2.4章节进行了比较详细的介绍，下面会对其具体实现进行讲解。图3-6所示为压力差传感器整体接口电路设计。主要的器件为基准源AD580和运放7F124，基准源AD580用于电源电路，运放7F124用于求差电路中，滤波电路使用常见的R（电阻）和C（电容）器件。图3-6压力差传感器整体接口电路设计电路设计中充分考虑了在±15VDC供电条件下，满足探头恒流工作模式的能力。由电阻R2、R3与AD580和运算放大器构成1.5mA恒流供电，能够满足设计及使用要求。由差分放大器将压力满量程信号放大300倍左右即能满足输出信号0V～5V的要求。1.4.1求差电路设计1.4.1.1求差电路设计原理图图3-7所示为基于7F124通用运算放大器的求差电路原理图，之所以采用该款通用运算放大器，是因为该型号的运放芯片具有较好的性能和稳定性，完全适用于本课题研究工作。其具体性能参数指标可以见后续的论文。该电路设计使用Altiumdesigner软件进行设计。图3-7基于7F124运算放大器的求差电路原理图1.4.1.2求差电路仿真图3-8所示为基于7F124运算放大器的求差电路仿真图。该仿真采用了Proteus电路仿真软件进行仿真，主要是仿真整个求差电路的功能是否完整和正确。通过使用Proteus电路仿真软件对求差电路的求差功能进行了功能性的验证，证明了本课题研究工作中的该部分求差电路能够满足功能。图3-8基于7F124运算放大器的求差电路仿真图其中当调节激励源R1(1)为0.001V时，R2(1)为0.002V时，经过运放减法电路后的输出U1(out)为为如图显示的0.30017V，可以证明运放减法电路的输出U1(out)确实为300×(R2(1)-R1(1))，也就是同时放大了300倍的求差结果。调节输入为其他值，所得结果也能证明本运放减法电路的正确性。多次调节输入，观察输出值，验证结果，如表3-1所示。表3-1求差电路仿真验证结果R2(1)R1(1)U1(out)0.0020.0010.300170.0020.00160.120030.0050.0011.200110.0060.0011.500210.010.0022.40009通过表3-1可以验证出，使用该结构的差分求差电路可以实现求差和放大的功能，放大倍数为300倍。1.4.2滤波电路参数设计1.4.2.1电源滤波电路参数设计如2.4.1小节所述，在电源输入端增加RC滤波电路，按照公式（2-17）进行计算：(Hz)（3-6）则电源输入端的RC低频滤波电路的截止频率为3180Hz，这对电路中的高频干扰信号起到很好的滤波抑制效果。1.4.2.2信号输出端滤波电路参数设计如2.4.2小节所示，在输出端增加有源滤波和无源滤波，构成RC滤波电路，如图3-8所示。图3-9所示为输出信号端滤波电路，其中根据公式（2-17）的RC滤波电路截止频率公式，可以计算有源和无源滤波电路的截止频率分别为式（3-7）和（3-8）所示。图3-9输出信号端滤波电路(Hz)（3-7）(Hz)（3-8）通过对输出信号端的RC滤波电路参数设计，较低的截止频率对CS101、CS114、RS103电磁干扰试验中的干扰信号都具有很好的滤波效果。1.4.3PCB设计本论文研究设计的压力差传感器接口电路PCB板版图如图3-10所示，该PCB版图根据是根据图3-6所示接口电路原理图生成的。图3-10接口电路PCB板版图下面分别从元器件选型、PCB分层、PCB布局规划、PCB布线、地设计、信号的隔离措施等方面进行PCB板的电磁兼容性设计。1）元器件选型：该产品在实现基本性能的前提下对元器件的选择遵循以下原则：a）选择辐射发射较低的器件；b）选择功率消耗较小的器件；c）滤波/去耦的电阻电容元件尽量使用表贴（SMP）封装的器件。根据元器件选型情况表及以上选用原则，该产品选用了电压基准源AD580、运算放大器7F124、RMK2012系列表贴电阻、C040系列表贴射频微波电容、MLCB2B2012系列表贴磁珠、NPN二极管BZ03C以及三极管3DG111F，以上器件均为低功耗器件，内部放大器采用差分原理，滤波器件均为表贴器件，设计合理。2）PCB分层：PCB分层设计应遵循以下规则：a）信号层数目应根据PCB的布线密度确定；b）层间距的设置应满足一定的电源阻抗要求和布线阻抗要求；c）电源层的边长要比地层边长短约20倍的层间距。本产品在进行设计时，接口电路板均为双面板，无分层；电源、地之间非常近，电源平面阻抗非常小；参考面完整，信号阻抗连续。3）PCB布局规划：PCB布局设计应遵循以下规则：a）低电平模拟电路和数字逻辑电路要分割开；b）辐射电路不能放置在PCB边缘。本产品在进行设计时，PCB布局方面，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行整体考虑，使布局适合信号流通，并尽量保持方向一致。4）PCB布线：PCB布线设计应遵循以下规则：a）相邻信号布线层应交叉布线；b）电源供电网络布线尽可能加粗；c）总线布线要对称，尽可能短，间距要符合“3W”原则。本论文研究的地线设计主要遵循并联单点接地原则，即每一路地线均经过一个电容后再共同接入大地，有效避免公共阻抗耦合问题；同时该产品采用串、并联混合接地设计；该电路设计采用RC电阻电容进行滤波，从滤波电路引入的供电输入、输出采用分别经过过孔连接到地线，这样设计可以减少输入、输出的串扰，增强滤波效果；信号隔离设计包括三种隔离方式，即磁电隔离、光电隔离、机电隔离，本设计主要采用磁电隔离方式，在电源输入线、地线、输出线均增加磁珠和电容然后接地，将外界干扰信号进行有效隔离。1.5压力传感器封装结构耐压