【《差压传感器的方案设计案例》6400字】

差压传感器的方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u3308差压传感器的方案设计案例 1157941.1总体方案设计 127861.2SOI单晶硅压阻压力芯片电路设计原理 2260411.1.1半导体压阻效应原理 3110581.1.2桥式电路测量压力原理 4166961.1.3单晶硅压阻压力传感器 6211201.3求差电路设计原理 10206191.4滤波电路设计原理 11319911.4.1电源滤波电路 1139661.4.2信号滤波电路 12118301.5波导管防电磁干扰原理 121.1总体方案设计图2-1所示为本研究课题中所设计的压力传感器总体设计方案。其中，A端压力和B端压力来自于伺服机构系统的两个不同的油压设备，分别表示两个油压设备的压力，A端压力敏感芯片和B端压力敏感芯片则为本课题研究工作中所研究设计的SOI单晶硅压阻压力敏感电路，该硅压阻压力敏感电路被封装成芯片形式。硅压阻压力敏感芯片输出形式为电压形式；A、B端的油压压力经过压阻压力敏感转化成电压形式后再传递给求差电路，计算A端和B端压力之差；经过求差电路后的压力差为电压形式，再被传递给输出滤波器，经过设定好的滤波器后能够使得压力差输出能更稳定一些，这也就是我们量化后的压力差值。本研究课题所设计的压力差传感器采用线性电压输出，对应不同的压力差值。图2-1压力差传感器总体设计方案同时，本论文研究工作使用外接电源为本压力差传感器进行供电，外接电源经过电源滤波后到达内部的恒流源电路，为压力敏感电路提供恒定的电流供电。下面将会对各个部分进行分模块的详细介绍。1.2SOI单晶硅压阻压力芯片电路设计原理单晶硅与多晶硅压力传感器相比，具有较高的灵敏度，且具有相同的纵向和横向灵敏因子，有利于设计优良的压阻电桥，保证传感器有最大的输出；应变电阻与衬底之间用SiO2介质层隔离，减小了漏电流，显著提高了传感器的工作温度范围；由于Si与SiO2之间的直接键合，接触面很匹配，没有其它过滤层，避免了附加应力的产生，提高了传感器电学与力学特性；同时，单晶硅SOI传感器的制作工艺与传统的CMOS制作工艺兼容，易于实现集成化。压力敏感芯片是利用半导体压阻效应原理设计和制造。采用更合理的压阻系数，在同样的应力作用下，能够获得更大的电阻变化，使压力敏感元件的灵敏度输出增大，就能获得较高的压力测量精度。SOI单晶硅压力传感器芯片以SOI单晶硅片为衬底材料，利用上层的单晶硅作为力敏电阻材料，制作出四个压力敏感电阻，电阻与衬底之间通过SiO2层隔离，去除了传统扩散硅压阻式传感器中的PN隔离结，因而具有良好的高低温稳定性，易于在高温环境中对压力的测量，具有区别于扩散硅压力芯片的显著特点。利用固定电阻进行温度补偿，可以使传感器的温度漂移系数很小。满足压差传感器的温度漂移的指标。四个力敏电阻组成了惠斯通电桥，利用惠斯通电桥测量输出的电压变化，测量压阻的变化，再根据半导体的压阻效应原理反推出单晶硅半导体材料受到的压力。1.1.1半导体压阻效应原理所谓半导体的压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。半导体压阻效应的大小可以用压阻系数π来表示。压阻系数π被定义为单位应力的作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率的变化会不相同。压阻系数公式如下：（2-1）其中，其中R是原始半导体样品的电阻；δR表示电阻的变化；T是半导体受到的外加应力。电阻R根据电阻定律公式可以写成：（2-2）上式所述为半导体电阻R的实际物理含义，其与电阻率、半导体长度和横截面积wh(A)有关。（2-3）其中δR与R的比率可以使用上式（2-3）表示。通常条件下，电阻率是二阶张量，应力T也是二阶张量。将上式（2-3）微分后得：（2-4）式（2-4）中：μ为泊松系数，是材料力学和弹性力学中的名词，定义为材料受拉伸或压缩力时，材料会发生变形，而其横向变形量与纵向变形量的比值，是一无量纲的物理量。引入，则上式可写成：（2-5）式中：π—压阻系数；σ—材料所受的应力；E—弹性模量；K—灵敏系数；ε—应变。对于半导体材料来说，πE比（1+2μ）大得多，此项可忽略，则半导体材料电阻的相对变化可写为：（2-6）上式（2-6）说明半导体材料在外力作用下其材料的电阻值变化率ΔR/R主要是由材料的电阻率的变化Δρ/ρ所引起的，这就是半导体材料的压阻效应。在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，这个变化随硅晶体的取向不同而不同，即硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅半导体材料是最主要的元素半导体材料，包括单晶硅、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，可直接或间接用于制备半导体器件。它具有以下优点：灵敏度与精度高；便于小型化和集成化；结构简单、工作可靠，在数十万次的疲劳测试后，性能依旧保持不变；动态特性好，响应频率可达100Hz以上。1.1.2桥式电路测量压力原理在半导体压力测量电路中，最常用的方法就是使用桥式电路测量。桥式电路又称为惠斯通电桥，它是一种可以根据电路输出电压变化精确测量电阻变化的仪器。（a）恒压源惠斯通电桥（b）恒流源惠斯通电桥图2-2惠斯通电桥测量压力原理图2-2所示为惠斯通电桥测量压力原理示意图，其中图（a）是基于恒压源进行供电的，而图（b）是采用恒流源作为供电电源的。下面将会介绍一下这两种供电方式的不同，以及所带来的不同特性。对于恒压源供电方式来说：其中，R1、R2、R3和R4为惠斯通电桥的4个桥臂，ΔV为Vout+与Vout-之差。当ΔV为零时，称为四个桥臂达到平衡状态。当惠斯通电桥平衡时，四个桥臂的阻值满足一定的比例关系，利用这一比例关系就可测量电阻的变化。其关系式如下：（2-7）而对于恒流源作为供电电源时：其中，R0、R1、R2和R3为惠斯通电桥的4个桥臂，同理，若R0×R3与R1×R2相等，那么ΔU为0，则电桥达到平衡的状态。ΔU与R0、R1、R2和R3四个桥桥臂阻值和恒流源关系公式如下：（2-8）关于惠斯通电桥的精准与否，我们需要引入一个衡量的概念。其公式如下：（2-9）其中，ΔR为电阻变化量；R为电桥电阻值；G为灵敏度系数；ε为应变。其中对于固定的材料来说，相同外力作用下，应变ε是相同的。因此，灵敏度系数G与电阻变化和电桥电阻值的比率相关。从图2-2可以看出，当供电方式为恒流源时，硅膜片在压力作用下，电桥的输出电压ΔU与ΔR和电源电流I0成正比。因此，惠斯通电桥压力传感器的输出精度直接受电源精度的限制。恒流源供电会对温度漂移具有补偿作用，可以提高产品的热稳定性。因此本课题研究工作将会采用恒流源作为供电方式为电桥供电。这里，我们可以利用单晶硅材料制作一个可变阻值的桥臂，这个桥臂的阻值是可以根据收到压力而变化的，其原理是前面提到的半导体压阻效应原理。即当半导体收到应力时，半导体电阻率发生变化的效应。再利用SiO2二氧化硅材料制作固定阻值的桥臂电阻。当单晶硅可变桥臂电阻在外界压力作用下产生应变时，其电阻率变化导致的电阻会引起整个惠斯通电桥的输出ΔV变化，我们可以根据这个输出δV来反推算出单晶硅半导体压敏电路受到的应力或者压力。1.1.3单晶硅压阻压力传感器前面两小节比较详细的介绍了基于单晶硅的压阻效应和惠斯通电桥的测量压力的原理，而单晶硅压阻压力传感器的核心——压力敏感元件就是根据这两个原理而进行设计的。SOI（Silicon-On-Insulator）技术是在顶层硅，即器件层和背衬底之间引入了一层埋氧化层，压力敏感电阻条制作在器件层（敏感芯片）上。该器件层材料是单晶硅，硅片上的四个电阻条组成闭合惠斯通电桥：利用半导体和微加工工艺在单晶硅上形成一个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，再在弹性膜片上采用微电子工艺形成四个应变电阻，组成一个惠斯通电桥。在芯片中把弹性梁的应变这一非电量转换为电参量是通过压阻效应来实现的，压阻效应如前文所述。图2-3所示为采用扩散硅方式设计的压力敏感元件，主要包含4个应变电阻桥臂，如图中红线框中所标识。图2-3采用扩散硅方式设计的压力敏感元件下面将会介绍一下具体的设计原理中的比较关键的部分。1.1.3.1硅底基片的选择在1.1.1章节中我们阐述了δR与R的比率公式可以使用下式（2-10）表示。（2-10）其中电阻率ρ是二阶张量，应力T也是二阶张量。电阻率δρij的改变与应力T通过压阻张量πijkl（一个四阶张量）联系起来。在线性区域，它们有如下关系：（2-11）其中是一个6×6的矩阵，对于单晶硅这种立方结构来说，压阻张量只有三个独立元素，也就是如下式（2-12）所述的。（2-12）这三个独立的系数中，π11描述了在沿着晶体主轴的外部应力作用下晶体主轴对应的压阻效应，π12描述了在沿着垂直晶体主轴的外部应力作用下晶体主轴对应的压阻效应，π44描述了平面内的剪切应力诱导产生的平面内电流发生改变的效果，最终导致平面外电场变化的压阻效应。对于N型单晶硅来说，其在[001]方向的纵向压阻系数很大，约为101.210-7cm2/N；而在[010]和[10]的横向压阻系数绝对值为53.410-7cm2/N。N型硅是可以用作力敏电阻条的，但是它的压阻系数的非线性比较大，这与应力值大小及受拉申还是受压缩状态有关，在其它方向上N型Si的压阻系数都比较小，因此一般选用P型硅作为力敏电阻条的材料。所以SOI基片选择器件层的掺杂类型为P型，考虑到用各向异性腐蚀方法制造硅应变膜片的工艺，选用[100]晶向P型硅片作为衬底材料。P型扩散硅电阻浓度与温度的关系见图2-4所示。图2-4P型扩散硅电阻浓度与温度的关系掺杂浓度不仅影响压阻系数，还影响压阻系数随温度变化的剧烈程度。从图2-5可以看出，π44随表面掺杂浓度及温度的变化。表面掺杂浓度越高，π44值越小，但随温度变化小。虽然灵敏度（与π44成正比）减小，但灵敏度温度系数可以改善。图2-5P型扩散硅与表面浓度及温度的关系1.1.3.2压力敏感芯片压敏电阻条的设计根据1.1.2章节对惠斯通电桥的叙述，我们可以知道压力敏感芯片的压敏电阻条的阻值应与电桥输出端负载相匹配，保证当负载较大变化时，电桥的输出电流不应有大的变化。根据理论分析可知，负载R负载改变时桥的输出电流I负载为：（2-13）上式（2-13）中：—惠斯通电桥的输出负载电流；ΔR—受压力时桥臂电阻的改变量；V—惠斯通桥电路供电电压；R0—惠斯通桥桥臂电阻；—负载电阻。对于扩散硅电阻来说，当压敏电阻条上有钝化层时，影响散热，Pmax（最大功耗）还应该更小。扩散硅电阻实际单位面积的功耗为：（2-14）式中：P—扩散电阻单位面积功耗；I—流经扩散电阻的电流；R—扩散电阻阻值；Rs—表面方阻；L—扩散电阻长度；W—扩散电阻宽度。单位条宽的工作电流为：（2-15）单位条宽的最大工作电流为：（2-16）当电阻条过宽时达到同样的电阻值就会导致所需电阻条条长过长，对电路版图设计及掺杂的均匀性都是不利的。综上分析，要得到均匀掺杂的压敏电阻条，需要控制好电阻条宽度，尽量保证当负载较大变化时各压敏电阻条所构成的惠斯通电桥桥臂的输出电流不应有过大的变化。1.3求差电路设计原理求差电路是求和电路/加法器电路的一种，本课题研究工作采用传统的差分运放芯片来实现求和/差电路。图2-6所示为利用差分运放芯片实现的求和/差电路原理图。其中图（a）所示为求和电路，图（b）所示为求差电路，可以发现，求和求差电路是利用运放芯片实现的模拟加法器/减法器电路，而求和电路与求差电路只不过是在连接方式有区别而已。（a）基于差分电路的求和电路（b）基于差分电路的求差电路图2-6求和/差电路原理图这里主要阐述一下图（b）求差电路的工作原理，其中Vi1为输入电压，其接入运算放大器的负信号接入端，并与输出端Vo的极性相反，并且放大倍数为R4/R1。因此对于Vi1作为输入信号，其对应的输出为-(R4/R1)×Vi1。而对于Vi2作为输入端信号来说，其与Vo同相位，其放大倍数为(R3/(R2+R3))×((R1+R4)/R1)×Vi2。因此，Vo=(R3/(R2+R3))×((R1+R4)/R1)×Vi2-(R4/R1)×Vi1。也就是说，当R1=R2=R3=R4的时候，输出V0=Vi2-Vi1，就形成了减法器电路，也就是本研究课题中提到的求差电路。1.4滤波电路设计原理本课题研究工作中的电路部分共有2个地方需要滤波电路，分别是电源输入端的电源滤波和信号经过求差电路的输出信号，都需要滤波电路，经过滤波电路后的信号和电源会更稳定一些。同时因为本毕设对高速读取信号要求不高，对信号的读取在100us以下，因此不需要高频电信号，可以将电压差值信号滤波在低通频段上。本人在这个毕设课题中设计了两个低通滤波电路，用来滤除掉电路中的高频抖动信号，使得电信号更稳定一些。1.4.1电源滤波电路图2-7所示为电源滤波电路，该滤波电路采用的是RC滤波电路方式，采用低通滤波电路设计，滤掉电源电压的高频纹波，使电源电压更接近直流电源方式，这样电源电压会更稳定一些。这里使用1μF的去耦钽电容和0.0022μF的高频旁路电容并联。图2-7电源滤波电路图2-8所示为RC低通电源滤波电路等效电路图。本课题研究工作中选用RC低通滤波电路，可以化简为上述等效电路，方便计算，该低通滤波电路的截止频率如下图2-8RC低通电源滤波电路等效电路图（2-17）因为本课题研究工作中所设计的单晶硅压敏芯片需要稳定的直流电源供电，因此我们需要设计截止频率尽量低的RC低通滤波电路。这里我们设计电阻R为50欧姆，电容C约为1uF，经过计算可得该低通滤波电路的截止频率约为3180Hz，这样可以保证较好的直流电源特性。1.4.2信号滤波电路图2-9所示为信号输出滤波电路，该部分滤波电路也是采用了RC低频滤波电路的方式，滤除掉求差电路后的输出信号的高频抖动，使得输出的信号更加稳定一些，避免电磁干扰造成的输出尖脉冲等非正常信号。图2-9信号输出滤波电路这里可以采用一个肖特基二极管D2作为限幅二极管，可以钳制输出的求差信号在一定的负值范围内，使得读取求差信号时对于无用的负值信号可以比较简单的识别和去除。同时设置该低通滤波电路截止频率为10Hz以下。这个滤波电路的截止频率比较适用于本课题研究工作。1.5波导管防电磁干扰原理解决传感器的电磁兼容性，在一般情况下，是在电路设计上采用RC滤波法、π型滤波法和电气接口连线对壳体间接旁路电容法；在结构上设计是采用外壳屏蔽法。用这两种方法综合考虑设计，传感器产品可以获得较好的电磁兼容性。本课题研究工作中的压力差传感器电磁兼容设计是按分系统要求，从干扰的三要素入手进行的，在设计初期进行了产品的电磁兼容原理分析，元器件频率特性分析等工作，在设计充分考虑输入与输出的抗干扰保护、选用无辐射功能的电子元件，连接电缆线屏蔽、高频、低频尽量兼顾等方面的内容，并采用了高频去耦与电容滤波等方法，在元器件的选择和印制电路板的布线设计等方面都进行了电磁兼容设计，这种设计已在其它型号压力传感器上进行大量的试验及验证，使产品具有了电磁兼容性。除了上述常用的电磁兼容方法外，本课题研究工作还采用了波导管防屏蔽的设计。波导管用来传送超高频电磁波，通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地。波导管是一种空心地、内壁特别整洁的金属导管或内涂金