MEMS和信號調理實現擴散硅壓力傳感器

文中介紹通過采用MEMS(micro electro mechanical systems)技術制造的硅壓阻力敏元件結合智能集成化信號調理技術設計了適合批量制造的小型化堅固封裝的通用汽車壓力傳感器。通過智能調理技術將傳感器的零位和滿度進行溫度校準實現了寬溫度工作范圍內的高精度測量，并且適合于批量制造。

　　引言

　　美國汽車傳感器權威弗萊明在2000年的汽車電子技術綜述就指出了MEMS技術在汽車傳感器領域的美好前景。設計了基于MEMS技術和智能化信號調理的擴散硅壓力傳感器應對汽車壓力系統的壓力檢測。

　　1 傳感器原理及封裝設計

　　為了將壓力信號轉化為電信號采用了應變原理，將惠斯頓檢測電橋通過MEMS技術制作在單晶硅片上。使得單晶硅片成為一個集應力敏感與力電轉換為一體的敏感元件。如圖1所示。

　　圖1敏感元件

　　當硅芯片受到外界的應力作用時，硅應變電橋的橋臂電阻將產生變化，一般都為惠斯頓電橋檢測模式。如圖2所示。

　　圖2惠斯頓電橋

　　其輸出電壓表示為vo=KAR/R(Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4)。

　　因為電阻的變化直接與應力P有關，則：

　　式中：Vo為輸出電壓，mV;S為靈敏度，mV/V/Pa;P為外力或應力，Pa;VB為橋壓，VOS為零位輸出，mV.

　　單一的硅片芯片只能作為一個檢測單元的一部分無法獨立完成信號的轉換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測的能力。將圖2中的硅片芯片與PYREX玻璃環靜電封接在一起。

　　PYREX玻璃環作為硅芯片的力學固定支撐彈性敏感元件并且使硅芯片與封裝絕緣，而PYREX玻璃環的孔恰好成為了傳感器的參考壓力腔體和電極引線腔體。其結構如圖3所示。

　　圖3敏感元件封裝

　　如圖3的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進壓的腔道后成為一個可安裝的壓力測量前端，見圖4。

　　圖4可安裝的壓力測量前端

　　此封裝技術可以承載至少15 MPa的壓力，若經特殊處理可承載100 MPa的壓力。