探討面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)

蘭州工業(yè)學(xué)院 郭寧 劉青

微機(jī)械電子技術(shù)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，屬于多學(xué)科交叉的前沿性技術(shù)領(lǐng)域，融合硅微機(jī)械加工工藝、LIGA 技術(shù)和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)，同時(shí)應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)成微型系統(tǒng)，屬于一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)。其中，硅微機(jī)械加工工藝包含體硅工藝、表面犧牲層工藝，以美國(guó)為代表；LIGA 技術(shù)包含光刻、電鑄、塑鑄，以德國(guó)為代表。微機(jī)械電子技術(shù)幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的全部領(lǐng)域，例如電子、機(jī)械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和能源科學(xué)等，在系統(tǒng)集成化和三維加工及非硅加工發(fā)展上十分迅速，設(shè)計(jì)手段逐漸向?qū)Ｓ肅AD 工具方向發(fā)展。微機(jī)械電子技術(shù)的快速發(fā)展給傳感器設(shè)計(jì)帶來十分明顯的改變，傳感器設(shè)計(jì)幾乎均應(yīng)用微機(jī)械電子技術(shù)進(jìn)行，進(jìn)而促使傳感器設(shè)計(jì)趨向自動(dòng)化和超精密加工方向發(fā)展，以便于將其用于更微型化和系統(tǒng)集成化的作業(yè)中。鑒于此，本文面向微機(jī)械電子技術(shù)設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化測(cè)量傳感器。

1 傳感器概述

傳感器（Transducer/Sensor）作為一種檢測(cè)裝置，是最具有代表性的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就，其可以將感受到的具體信息按照一定的規(guī)律變換成電信號(hào)，或者通過其他所需要的形式進(jìn)行信息輸出，以此充分滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等方面的具體要求[1]。目前，傳感器在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制上的應(yīng)用十分廣泛，幾乎出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步等方面的作用顯而易見[2]。在文中，自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)分為兩個(gè)主要部分：第一部分給出包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理電路、傳感器接口電路等關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)方案；第二部分根據(jù)第一部分的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量傳感器的制成。在進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量傳感器的性能檢測(cè)過程中進(jìn)行設(shè)計(jì)方案可行性的判定，對(duì)自動(dòng)化測(cè)量傳感器成品是否能夠達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考量。判定結(jié)果表明，自動(dòng)化測(cè)量傳感器在觀測(cè)值與真值的接近程度上、產(chǎn)品可靠性上、相應(yīng)量變化程度上、校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度上、正行程特性與反行程特性的不一致程度上、多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果上，不同的檢測(cè)結(jié)果均處于合乎標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)，進(jìn)一步證明自動(dòng)化測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)方案具備合理性，能夠進(jìn)行正常的制造[3]。

2 面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)

2.1 敏感元件設(shè)計(jì)

敏感元件是自動(dòng)化測(cè)量傳感器十分重要的組成部分，屬于核心元件，可以敏銳感受外界信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信息，屬于一種比較特殊的元件[4]。這種特殊的元件通常是利用具有敏感效應(yīng)的材料制成，其感知功能達(dá)到或遠(yuǎn)超人類感覺器官功能。敏感元件在設(shè)計(jì)過程中所應(yīng)用的方法較多，主要為硅微機(jī)械加工工藝、鍵合技術(shù)（Bonding Technique）、LIGA 技術(shù)與脈沖激光（Excimer Laser）技術(shù)。本文在設(shè)計(jì)過程中選擇硅微機(jī)械加工工藝中的光刻工藝進(jìn)行敏感元件設(shè)計(jì)，具體過程如表1所示。

表1 敏感元件設(shè)計(jì)過程Tab.1 Sensitive element design process

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路（Signal Conditioning Circuit）是工業(yè)控制領(lǐng)域進(jìn)行傳感器模擬信號(hào)處理的主要電路，其可以進(jìn)行信號(hào)的隔離、放大和濾波等，顯著提升信號(hào)的質(zhì)量[5]。能夠?qū)碜詡鞲衅鞯男盘?hào)轉(zhuǎn)換為具有其他目的的數(shù)字信號(hào)。自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)過程中的信號(hào)調(diào)理電路如圖1所示。

2.3 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)化測(cè)量傳感器需要具有較高的精度及較好的線性特征，需要與微型機(jī)械電子系統(tǒng)的其他器件進(jìn)行有效連接，因此，傳感器的接口電路設(shè)計(jì)直接關(guān)系到數(shù)據(jù)在采集后是否能夠被有效利用[6]。傳感器接口也被叫做引腳，是芯片內(nèi)部電路引出與外圍電路的接線，全部的引腳構(gòu)成芯片接口，即傳感器接口[7]。在圖1中，傳感器的引腳一共有14 個(gè)，每個(gè)傳感器接口實(shí)際起到的具體功能各不相同。

圖1 自動(dòng)化測(cè)量傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of signal conditioning circuit for automatic measurement sensor

3 自動(dòng)化測(cè)量傳感器的性能檢測(cè)

3.1 材料準(zhǔn)備

傳感器制備材料包含信號(hào)調(diào)理電路、傳感器接口電路、敏感膜片、傳感器工作程序編輯器、轉(zhuǎn)換元件、外接線、膠帶、電源線、封裝外殼等。

3.2 傳感器組裝

將傳感器制備材料包含信號(hào)調(diào)理電路、傳感器接口電路、敏感膜片、傳感器工作程序編輯器、轉(zhuǎn)換元件、外接線、膠帶、電源線、封裝外殼等材料組裝，制成自動(dòng)化測(cè)量傳感器成品[8]。制成的自動(dòng)化測(cè)量傳感器成品應(yīng)在觀測(cè)值與真值的接近程度、校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度、正行程特性與反行程特性的不一致程度與多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果上滿足≤%F·S±0.1 的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 檢測(cè)方案

自動(dòng)化測(cè)量傳感器的性能檢測(cè)項(xiàng)目包含6 個(gè)，即觀測(cè)值與真值的接近程度、產(chǎn)品可靠性、相應(yīng)量變化程度、校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度、正行程特性與反行程特性的不一致程度、多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果。下面針對(duì)這6個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行具體分析。

（1）觀測(cè)值與真值的接近程度。觀測(cè)值與真值的接近程度即為精度，是傳感器所采集到的，作用在傳感器上的壓力值誤差。在檢測(cè)過程中，使用萬(wàn)能壓力測(cè)試機(jī)作為檢測(cè)裝置，將自動(dòng)化測(cè)量傳感器放置再萬(wàn)能壓力測(cè)試機(jī)正下方，通過設(shè)置不同數(shù)值的壓力施加數(shù)值，重復(fù)進(jìn)行10 次試驗(yàn)，通過選擇絕對(duì)平均值，最后將絕對(duì)平均值與實(shí)際壓力值進(jìn)行壓力值誤差計(jì)算，進(jìn)而驗(yàn)證誤差是否滿足≤%F·S±0.1 的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）產(chǎn)品可靠性。壓力平均數(shù)值、絕緣電阻數(shù)值可以作為檢測(cè)自動(dòng)化測(cè)量傳感器產(chǎn)品可靠性的兩個(gè)指標(biāo)，通過檢測(cè)傳感器的接口密封程度，能夠檢測(cè)出傳感器是否存在漏氣、漏電的情況。在檢測(cè)過程中，測(cè)試裝置分別使用壓力測(cè)漏儀檢測(cè)壓力平均數(shù)值，使用兆歐表檢測(cè)絕緣電阻數(shù)值。壓力平均數(shù)值合格標(biāo)準(zhǔn)為平均數(shù)值≤壓力測(cè)漏儀所施加的穩(wěn)定壓力值的0.05%，假如壓力平均數(shù)值≤0.05%，則認(rèn)為傳感器接口不存在漏氣問題；絕緣電阻數(shù)值合格標(biāo)準(zhǔn)為絕緣電阻數(shù)值≥50 兆歐，則認(rèn)為傳感器接口不存在漏電問題。

（3）相應(yīng)量變化程度。相應(yīng)量變化程度即為靈敏度，是伴隨輸入量的變化而影響輸出量的變化程度，在測(cè)試過程中需要的數(shù)據(jù)來自觀測(cè)值與真值的接近程度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的下壓板、萬(wàn)能壓力測(cè)試機(jī)、輸出顯示裝置檢測(cè)所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)。

（4）校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度。校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度即為非線性度，即按照時(shí)間的精準(zhǔn)序列，自動(dòng)化測(cè)量傳感器所輸出的監(jiān)測(cè)值所繪制的曲線和實(shí)際的壓力曲線間產(chǎn)生的擬合偏差。測(cè)試數(shù)據(jù)來自觀測(cè)值與真值的接近程度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的下壓板、萬(wàn)能壓力測(cè)試機(jī)、輸出顯示裝置檢測(cè)所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)。

（5）正行程特性與反行程特性的不一致程度。正行程特性與反行程特性的不一致程度即為遲滯性，指的是在全量程范圍之內(nèi)，在同一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)輸入數(shù)值產(chǎn)生增加和減少的同時(shí)，輸出電壓值間的最大差[9]。測(cè)試數(shù)據(jù)來自觀測(cè)值與真值的接近程度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的下壓板、萬(wàn)能壓力測(cè)試機(jī)、輸出顯示裝置檢測(cè)所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)。

（6）多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果。多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果即為重復(fù)性，當(dāng)處于相同測(cè)試條件下，獲得多次連續(xù)的測(cè)量結(jié)果間的符合程度。測(cè)試數(shù)據(jù)來自觀測(cè)值與真值的接近程度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的下壓板、萬(wàn)能壓力測(cè)試機(jī)、輸出顯示裝置檢測(cè)所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與分析

面向微機(jī)械電子技術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器的檢測(cè)結(jié)果如下：

（1）觀測(cè)值與真值的接近程度為0.0451%，合格；（2）壓力平均數(shù)值為0.00363%，合格；（3）絕緣電阻數(shù)值為68.43MΩ，合格；（4）相應(yīng)量變化程度為0.0581%，合格；（5）校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度為0.0740%，合格；（6）正行程特性與反行程特性的不一致程度為0.0265%，合格；（7）多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果為0.0624%，合格。

將上述結(jié)果與自動(dòng)化測(cè)量傳感器檢測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較之后，得出實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，所有檢測(cè)結(jié)果均在要求的合格標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，因此，面向微機(jī)械電子技術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器的性能已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以在實(shí)際壓力測(cè)試中進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)一步證明自動(dòng)化測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)方案具備合理性，能夠進(jìn)行正常的制造。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究主要面向微機(jī)械電子技術(shù)設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)化測(cè)量傳感器。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中主要對(duì)敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及信號(hào)調(diào)理電路、傳感器接口電路等關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)，針對(duì)設(shè)計(jì)好的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感器成品進(jìn)行性能檢測(cè)，判斷面向微機(jī)械電子技術(shù)設(shè)計(jì)出的自動(dòng)化測(cè)量傳感器是否符合預(yù)期的傳感器設(shè)計(jì)合格標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)檢驗(yàn)，面向微機(jī)械電子技術(shù)設(shè)計(jì)出的自動(dòng)化測(cè)量傳感器檢測(cè)結(jié)果均符合檢測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn)，該自動(dòng)化檢測(cè)傳感器在設(shè)計(jì)上十分合理，具有十分廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。