一種寬量程氣壓傳感器的接口電路設(shè)計(jì)與測(cè)試標(biāo)定*

秦曉霞,高 艷,余輝洋,聶 萌

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

?

一種寬量程氣壓傳感器的接口電路設(shè)計(jì)與測(cè)試標(biāo)定*

秦曉霞,高 艷,余輝洋,聶 萌*

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

高空探測(cè)氣壓傳感器,其特點(diǎn)是測(cè)量量程寬,滿(mǎn)足常壓到極低壓(10 hPa)測(cè)量,因此,專(zhuān)用型壓阻式氣壓傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)與數(shù)模轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì),是推廣高空探測(cè)氣壓傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的使用前景。本文針對(duì)寬量程檢測(cè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了壓阻式氣壓傳感器專(zhuān)用接口電路,解決了傳感器微小電阻變化量的檢測(cè)問(wèn)題,并對(duì)傳感器性能進(jìn)行測(cè)試分析與標(biāo)定,可實(shí)現(xiàn)傳感器全量程誤差不超過(guò)2.6 hPa,并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出,完成傳感器接口電路設(shè)計(jì)。

高空探測(cè);氣壓傳感器;性能測(cè)試;接口電路;數(shù)字化輸出

隨著我國(guó)氣象現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展,保證高空氣象探測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性變得十分迫切。氣壓傳感器是一種小型化檢測(cè)裝置,能感受到被測(cè)量的壓力信息,并將檢測(cè)感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求[1]。而壓阻式氣壓傳感器與電容式氣壓傳感器相比,具有靈敏度高,分辨率高,動(dòng)態(tài)特性好,易于小型化等特點(diǎn),在高空大氣探測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于高空探測(cè)氣壓傳感器,其特點(diǎn)是測(cè)量量程寬,需要滿(mǎn)足常壓到極低氣壓(10 hPa)測(cè)量,因此,專(zhuān)用型壓阻式氣壓傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)與數(shù)模轉(zhuǎn)換測(cè)試電路的設(shè)計(jì)便成為推廣高空探測(cè)氣壓傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的使用前景。

本文針對(duì)硅壓阻式氣壓傳感器進(jìn)行了專(zhuān)用接口測(cè)試電路的設(shè)計(jì),解決了傳感器從常壓到低壓10 hPa氣壓測(cè)試量程范圍內(nèi)微小電阻變化量的檢測(cè)問(wèn)題,并且對(duì)傳感器性能進(jìn)行測(cè)試分析與標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)全量程內(nèi)氣壓誤差不超過(guò)2.6 hPa,最終實(shí)現(xiàn)氣壓數(shù)字化輸出,完成傳感器接口電路設(shè)計(jì)。

1 壓阻式氣壓傳感器

1.1 氣壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓阻效應(yīng)于1865年由Lord Kelvin首先發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在這個(gè)原理廣泛應(yīng)用于傳感器原理中。當(dāng)傳感器薄膜結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻受到外界壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變,使電阻率發(fā)生變化從而引起電信號(hào)的改變,這就是壓阻式壓力傳感器的工作原理。由此可見(jiàn),壓敏電阻的變化與受到的壓力大小和壓阻系數(shù)有關(guān)[2]。

本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應(yīng)[3]設(shè)計(jì)的,制備的氣壓傳感器芯片結(jié)構(gòu)截面圖如圖1所示。傳感器結(jié)構(gòu)由一個(gè)單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個(gè)壓敏電阻組成,4個(gè)電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)[4],當(dāng)有氣壓作用在彈性膜上時(shí)電橋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所施加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號(hào)。

圖1 氣壓傳感器芯片橫截面圖

圖2 工藝流程圖

1.2 氣壓傳感器制作工藝流程

圖2給出了制備傳感器的主要工藝流程。圖3為傳感器結(jié)構(gòu)SEM圖。

圖3 傳感器SEM照片

整個(gè)流程主要是采用硅表面微加工工藝[5]。與傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器的加工方法相比,該工藝流程采用了外延單晶硅硅膜的工藝進(jìn)行真空腔密封,這種方法可以克服傳統(tǒng)的濕法刻蝕工藝的缺點(diǎn),加工出的單晶硅膜具有很好的機(jī)械性能。

①首先,對(duì)硅襯底采用各向異性干法刻蝕,刻蝕出一道道約5 μm深的淺槽。然后采用各向同性干法刻蝕,使淺槽下方形成一個(gè)連通的腔。②采用外延工藝,在襯底上進(jìn)行單晶硅外延,并利用外延的硅材料將淺槽完全封住,從而在下面形成一個(gè)接近真空的密封腔。外延工藝如下:溫度為1 135 ℃,采用的是H2,PH3等氣體,外延時(shí)的真空度為80 torr。③在對(duì)外延硅層的局部區(qū)域進(jìn)行小劑量硼離子注入。該部工藝主要是為了制作壓敏電阻,壓敏電阻主要位于膜四邊的中央。④對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實(shí)現(xiàn)壓敏電阻條之間的歐姆連接,并為壓敏電阻的引出做準(zhǔn)備。⑤在硅片表面生長(zhǎng)一層氧化層及氮化層,用作絕緣介質(zhì)層。⑥對(duì)氧化層和氮化層光刻并圖形化,形成接觸孔。⑦濺射金屬層并光刻圖形化,形成引線及壓焊塊。

2 測(cè)試電路設(shè)計(jì)

此壓阻式氣壓傳感器,壓敏電阻初始電阻值為163 Ω,滿(mǎn)量程輸出電阻變化最大為9 Ω,針對(duì)此微小阻值變化量,本文中設(shè)計(jì)了一款專(zhuān)用接口測(cè)試電路。該測(cè)試電路主要包括STM32系列單片機(jī)及ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和液晶顯示模塊。電路應(yīng)用時(shí)將惠斯通電橋輸出節(jié)點(diǎn)與測(cè)試電路連接起來(lái),通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)外界氣壓信號(hào)的檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行輸出[6-7],讀數(shù)在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示,測(cè)試電路板的說(shuō)明如圖4所示,針對(duì)部分重要模塊的電路設(shè)計(jì)在下文說(shuō)明。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)模塊

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)中需要用到3.3 V和5 V兩種電壓(選用的STM32單片機(jī)規(guī)定工作電壓為2.0 V～3.6 V,ADS1247數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊模擬電源部分供電電壓為5 V),根據(jù)測(cè)試電路元件的需求,采用國(guó)產(chǎn)LM2940-5和LM1117-3.3兩個(gè)穩(wěn)壓模塊來(lái)進(jìn)行電源供電的設(shè)計(jì)[7-8]。

LM2940-5和LM1117-3.3兩個(gè)模塊都屬于輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器,前者輸出電壓是5 V后者輸出電壓是3.3 V,并且內(nèi)部都有設(shè)計(jì)電流限制和過(guò)熱保護(hù)電路,他們的輸入端和輸出端都需要連接一定的電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。電源設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 電源電路原理圖

2.2 ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

ADS1247是TI公司推出的一種高性能、高精度的24位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器[9-10]。ADS1247單片集成一個(gè)單周期低通數(shù)字濾波器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、一個(gè)精密(ΔΣ)ADC與一個(gè)單周期低通數(shù)字濾波器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘。內(nèi)置10mA低漂移電源參考和兩個(gè)可編程電流型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。通過(guò)程序設(shè)置,在輸出電壓裕度內(nèi),DACS可為外部提供多種強(qiáng)度的電流,分別為50 μA、100 μA、250 μA、500 μA、750 μA、1 000 μA、1 500 μA。除此之外,ADS1247還具有一個(gè)可編程放大器(PGA),放大倍數(shù)可設(shè)置為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

本測(cè)試系統(tǒng)采用ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)傳感器的輸出的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。ADS1247的電路原理圖如圖6所示。

圖6 ADS1247電路連接原理圖

圖6中,SCK、MOSI、MISO、DRDY、CS為ADS與單片機(jī)的通信端。CS為選片,單片機(jī)通過(guò)這個(gè)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS模塊的選擇。

測(cè)試中,參考電壓為1400mV,傳感器的輸出端分別接入兩個(gè)電流端口,測(cè)試中通過(guò)軟件中設(shè)置ADC的兩個(gè)電流大小分別0.05 mA,對(duì)兩個(gè)電阻進(jìn)行供電,并得到這兩端的電壓之后進(jìn)行64倍放大,數(shù)字轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)計(jì)算方法是將參考電壓轉(zhuǎn)換為24位二進(jìn)制數(shù),然后通過(guò)測(cè)得的惠斯通電橋電壓差占據(jù)參考電壓的比例來(lái)計(jì)算,最終實(shí)現(xiàn)了傳感器的數(shù)字輸出。由此可知電壓的測(cè)量精度可以達(dá)到0.000 1 mV。

在軟件程序設(shè)計(jì)中采用連續(xù)讀取10個(gè)輸出電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),進(jìn)而求平均值的方法來(lái)減小誤差,增加準(zhǔn)確性。程序如下:

temp=Read_Ads1247();//讀取adc數(shù)字信號(hào)

voltage+=fabs((float)temp/(8388607)*(14*0.1)

*1000); //數(shù)字轉(zhuǎn)換為電壓并求和

voltage/=10; //求平均

其中,電流的設(shè)定和放大倍數(shù)的設(shè)定是通過(guò)對(duì)ads1247中的寄存器設(shè)定實(shí)現(xiàn)的,具體程序如下:

ADS1247WREG(SYS0,0x63);//64倍增益

ADS1247WREG(IDAC0,0x01);//0.05mA電流

2.3 STM32單片機(jī)

本測(cè)試系統(tǒng)中處理器選用了具有Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8芯片,它是ST公司推出STM32F103x8系列中的一款芯片[10-12],這里使用的單片機(jī)具體型號(hào)是STM32F103C8T6,采用LQFP48封裝,它使用高性能的32位RISC內(nèi)核,工作頻率是72 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè),包含有2個(gè)12位的ADC,3個(gè)通用16為定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器,還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口。

STM32F103C8T6所需的供電電壓是2.0 V～3.6 V,包含-40 ℃～+85 ℃溫度范圍和-40 ℃至+105 ℃的擴(kuò)展溫度范圍,滿(mǎn)足了用用要求。

傳感器測(cè)試電路框圖如圖7所示。

圖7 傳感器測(cè)試電路示意圖

3 氣壓傳感器性能測(cè)試分析

氣壓傳感器作為一種高空探測(cè)的工具,它的性能好壞直接影響到高空探測(cè)的準(zhǔn)確性,針對(duì)本傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試并從數(shù)據(jù)中對(duì)氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測(cè)試精度進(jìn)行了分析及擬合修正[13]。

在傳感器的測(cè)試過(guò)程中,測(cè)試的氣壓范圍是5 hPa～1 000 hPa,在氣壓低于100 hPa時(shí)候,氣壓每降低10 hPa作為一個(gè)測(cè)試點(diǎn),高于100 hPa時(shí)候,氣壓每升高100 hPa作為一個(gè)測(cè)試點(diǎn),讀出在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)處的電壓值(電壓值為放大64倍之后的值),并且通過(guò)線性插值法將電壓值轉(zhuǎn)換為氣壓值。表1中列舉了T=25 ℃時(shí)部分測(cè)試結(jié)果。

表1 T=25 ℃時(shí)傳感器測(cè)試結(jié)果

線性插值法的軟件實(shí)現(xiàn)如下:

Static float air[12]={5,10,30,50,70,90,100,

200,400,600,800,1000};//設(shè)定氣壓值

Static float v[12]={-70.09,-67.19,53.48,-39.83,-25.93,-12.12,3.25,63.64,200.7,337.56,474.13,610.23}; //與氣壓值對(duì)應(yīng)的標(biāo)定電壓值

while(voltage>v[j])

{j++;}

Air_pressure=(int)(voltage*(air_pre[j]-air_pre[j-1])/(v[j]-v[j-1])+(air_pre[j-1]*v[j]-air_pre[j]*v[j-1])/(v[j]-v[j-1])); //分段線性插值求輸出氣壓值

將大量的測(cè)試數(shù)據(jù)采用最小二乘法繪制成曲線以方便直觀把握傳感器的輸入輸出特性,如圖8所示的是傳感器在溫度為25 ℃時(shí)輸出電壓與輸入氣壓的關(guān)系曲線,曲線顯示傳感器的輸出電壓與氣壓之間具有良好的線性關(guān)系。

圖8 T=25 ℃時(shí)氣壓大小與輸出電壓曲線

實(shí)驗(yàn)中對(duì)壓力傳感器特性進(jìn)行多次測(cè)量,并對(duì)大量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出氣壓傳感器的性能參數(shù)如表2所示。

表2 T=25 ℃時(shí)氣壓傳感器特性

對(duì)傳感器進(jìn)行多次重復(fù)性測(cè)試的基礎(chǔ)上,通過(guò)線性插值法將電壓值轉(zhuǎn)換為氣壓值,實(shí)現(xiàn)了傳感器的數(shù)字輸出,如表1所示為部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果,大量結(jié)果顯示出實(shí)驗(yàn)測(cè)試氣壓值與真實(shí)氣壓值之間的誤差不超過(guò)2.6hPa,氣壓輸出曲線如圖9所示,圖中直觀顯示該氣壓傳感器的性能。

圖9 真實(shí)氣壓值與傳感器輸出氣壓值曲線

4 結(jié)束與討論

①本文針對(duì)一種壓阻型氣壓傳感器,設(shè)計(jì)了專(zhuān)用型壓阻式氣壓傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)電路,實(shí)現(xiàn)了微小電阻變化量的檢測(cè)。②對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和擬合修正,實(shí)現(xiàn)全量程范圍內(nèi)誤差不超過(guò)2.6 hPa,完成傳感器的性能測(cè)試與標(biāo)定。③通過(guò)軟硬件結(jié)合進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)字輸出,完成傳感器的接口電路設(shè)計(jì)。

[1]杜圣波,毛萬(wàn)華,楊雁南. 高精度大氣壓力指示儀[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2011(7):1002-1841.

[2]Chen Shaung,Zhu Mingquan,Ma Binghe. Design and Optimization of a Micro Piezoresistive Pressure Sensor[C]//Nano/Mivro Engineered and Molecular System,2008:351-356.

[3]Xiao G,Chan P C H A. Pressure Sensor Using Flip-Chip on Low-Cost Flexible Substrate[J]. Proceedings-Electronic Components and Technology Conference,2001,750-754.

[5]余輝洋. 高性能MEMS壓力傳感器的研究[D]. 南京:東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,2013.

[6]樊延虎. 壓阻式氣壓傳感器在大氣壓力探測(cè)中的一種應(yīng)用電路的研究[J]. 延安大學(xué)學(xué)報(bào),2000,19(1):37-38.

[7]Takahiro Takeda,Kuramoto Kei,Kobashi Syoji,et al. Biometrics personal identification by wearable pressure sensor[C]//International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology,2012:120-123.

[8]Chau K H L,Fung C D,Harris P R,et al. A versatile polysilicon diaphragm pressure sensor chip[C]//Electron Devices Meeting,1991:761-76.

[9]劉嵐,程莉. 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的選型研究[J]. 電信工程與標(biāo)準(zhǔn)化,2005(2):51-54.

[10]高興寶,葛化敏,陳康奇. 基于STM32的便攜式氣壓高度計(jì)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子,2012(31):189-191.

[11]陳永. 基于STM32F103C8的輸電線路微氣象遠(yuǎn)程無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)[D]. 南京:南京信息工程大學(xué)系統(tǒng)分析與集成專(zhuān)業(yè),2010.

[12]傘海生,宋子軍,王翔,等. 適用于惡劣環(huán)境的MEMS壓阻式壓力傳感器[J]. 光學(xué)精密工程,2012,20(3):551-554.

[13]祝宇虹,紀(jì)軍紅,孫寧. 橋式硅壓阻器件在氣壓測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 傳感器技術(shù),2005,24(5):74-76.

The Design of the Interface Circuit for a Wide Range Barometric Pressure Sensor*

QINXiaoxia,GAOYan,YUHuiyang,NIEMeng*

(Key laboratory of MEMS of Ministry of Education,School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The barometric pressure sensor for high altitude detection,is usually made to achieve to measuring wide range of air pressure from atmospheric pressure to ultra low pressure(10 hPa). Therefore,a special interface circuit aimed to realize the output signal detection and analog to digital conversion,is very critical for the application of the barometer used in high altitude detection. In this paper,a new special circuit for piezoresistive pressure sensor is designed,which can successfully solve the problem of detecting the small change of resistance,and can be used in the detection of pressure within a wide pressure range. The performance of the pressure sensor is analyzed and calibrated. Besides,the digital output of sensor is realized,and the error is less than 2.6 hPa within the whole measurement range.

high altitude detection;barometric pressure sensor;the performance test;the interface circuit;the digital output

秦曉霞(1990-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)镸EMS傳感器結(jié)構(gòu)及接口電路研究,932847589@qq.com;

聶 萌(1980-),女,副教授,研究方向?yàn)镸EMS/NEMS傳感器設(shè)計(jì)、工藝、封裝研究,m_nie@seu.edu.cn。

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家863項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào):2012AA040502)

2015-01-11 修改日期:2015-02-16

C:7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.004

TP212.1

A

1004-1699(2015)03-0320-05