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

代響林

（黃淮學(xué)院，河南駐馬店，463000）

0 引言

在現(xiàn)代科技發(fā)展過程中，傳感器是一項(xiàng)與通訊、電腦同等重要的成果。傳感器的用途非常廣泛，可以用于各種工業(yè)，隨著對(duì)環(huán)境質(zhì)量的不斷提高，傳感器的智能化、自動(dòng)化、微型化也越來越多。本技術(shù)由微電線路、微電機(jī)、微探測(cè)器三大部分構(gòu)成。微檢測(cè)器，即微感應(yīng)器，是微細(xì)發(fā)展過程中使用最多的一個(gè)方面，它的特點(diǎn)是靈敏度高,結(jié)構(gòu)很小。因此，本文以一種常見的自動(dòng)壓力傳感器為研究對(duì)象，進(jìn)行了面向微機(jī)電子技術(shù)的自動(dòng)檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)。本論文的研究?jī)?nèi)容包括：理論與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面。前者包括：敏感膜片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)；主要包括傳感器的界面和工作流程的設(shè)計(jì)。后者則根據(jù)前者的設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際的感應(yīng)器進(jìn)行測(cè)試，以確定感應(yīng)器的性能是否符合要求，以及能否投入使用。本文旨在為微型傳感器的生產(chǎn)、制造和應(yīng)用提供一定的借鑒，并對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。傳感器是一種新型的探測(cè)設(shè)備，它在各行各業(yè)的發(fā)展中占有舉足輕重的地位。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于微機(jī)電技術(shù)的新型自動(dòng)測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)以微型機(jī)電技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)，可以為改進(jìn)其性能提供參考。

1 傳感器與微機(jī)械電子技術(shù)概述

■1.1 傳感器

傳感器的興起，為科技的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。它是一種以電信號(hào)為基礎(chǔ)的傳感器，它包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路和輔助電源。該檢測(cè)設(shè)備可將探測(cè)到的信息轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，或以其他方式輸出，用于各種工業(yè)、領(lǐng)域設(shè)備的探測(cè)。從本質(zhì)上講，傳感器在獲得目標(biāo)的信息方面起著很大的作用。目前，傳感技術(shù)已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測(cè)、生物工程等各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，并在一定程度上促進(jìn)了人類社會(huì)的進(jìn)步。

■1.2 微機(jī)械電子技術(shù)

微機(jī)械電子技術(shù)是集成電路和機(jī)械零件制造中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，也是制造傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)在生產(chǎn)過程中，可以最大限度地減少所生產(chǎn)的電路和部件，使其達(dá)到最大限度的自動(dòng)化和智能化。從根本上講，它是一種以微機(jī)械和電子學(xué)為基礎(chǔ)的微型驅(qū)動(dòng)器和傳感器，是當(dāng)今世界發(fā)展的主要設(shè)備。因此，微型機(jī)電技術(shù)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

2 面向微機(jī)械電子技術(shù)的微傳感器設(shè)計(jì)方案

微機(jī)械電子是當(dāng)今科技發(fā)展的一個(gè)典型的例子，它既保留了零件的功能，又把零件進(jìn)行了簡(jiǎn)化和組裝；它被植入到其他儀器之中，充當(dāng)儀器的角色，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)控。由于微型機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用范圍和應(yīng)用范圍的限制，本文針對(duì)的是壓力傳感器。壓強(qiáng)傳感是以歐姆原理為基礎(chǔ)，利用壓阻特性對(duì)其進(jìn)行估計(jì)的。在外部對(duì)一個(gè)半導(dǎo)體器件（靈敏薄膜）施加一定的壓力后，這種應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，從而引起電橋的電荷同步改變；通過歐姆原理，可以將其轉(zhuǎn)換成真實(shí)的壓強(qiáng)。

電阻變化數(shù)學(xué)公式表示如下：

當(dāng)半導(dǎo)體材料（敏感膜片）未受到力的影響前，4 個(gè)電橋一直處于平衡狀態(tài)，這時(shí)的輸出電壓=0。其公式表示如下：

式中，R1、R2、R3、R4 代表惠斯頓電橋4 個(gè)橋臂的電壓值。而外界給予半導(dǎo)體材料（敏感膜片）一定壓力時(shí)，與之相連的電橋?qū)⑹テ胶猓@時(shí)電壓輸出表示公式：

當(dāng)R1、R2、R3、R4 都等于相同一個(gè)值時(shí)，可以簡(jiǎn)化為：

式中，Vi為供電電壓。

設(shè)計(jì)之前必須先對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：靈敏膜片、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換等；傳感器接口電路設(shè)計(jì)，傳感器工作程序設(shè)計(jì)。本文根據(jù)微壓元件的構(gòu)成，將其設(shè)計(jì)分成：感應(yīng)膜片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)；系統(tǒng)的界面和工作流程的開發(fā)。以下是對(duì)上述設(shè)計(jì)單元的詳細(xì)介紹。

■2.1 敏感膜片設(shè)計(jì)

敏感膜片是自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中最重要的元件，它可以直接感知到被測(cè)到的物體，它是外部力的唯一觸點(diǎn)，也是輸出電壓的來源。感光膜，其實(shí)是一種彈性膜，它的彈性非常好。這種薄膜的設(shè)計(jì)方法有四種，分別是：硅微加工、鍵合、LIGA 和準(zhǔn)分子激光。本文選取了硅微細(xì)加工技術(shù)中的MEMS 刻蝕技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

第一步：挑選敏感薄膜的基板，即感光元件的載體。此處，以單晶硅為基板，用作感光薄膜。

第二步：對(duì)單晶硅進(jìn)行加工。在生產(chǎn)感光膜時(shí)，要保證單晶硅沒有損壞，要經(jīng)過打磨、拋光，然后再進(jìn)行清潔，以除去表面的污垢。然后，等待刻蝕。

第三步：刻蝕活性標(biāo)記物，即制作配準(zhǔn)標(biāo)志和劃片框；

第四步：采用掩膜層，即用一種保護(hù)性的薄膜覆蓋在單晶硅的表面；

第五步：將變阻器的歐姆接觸區(qū)打開，即在硅片的后面去掉一些硅，從而形成一個(gè)空腔；

第六步：將離子注入接觸區(qū)域，制成變阻器；

第七步：將單晶硅的標(biāo)準(zhǔn)清洗；

第八步：淀積SiO2作為隔離層；

第九步：利用磁控濺射法將Ti-Pt-Au 鍍于玻璃薄片上，從而形成電極板；

第十步：對(duì)電極孔區(qū)、引線區(qū)進(jìn)行光刻；

第十一步：將單晶硅薄板減?。?/p>

第十二步：把硅片和玻璃粘接；

第十三步：包裝。為了確保敏感晶片不會(huì)受到外界的腐蝕，并確保其靈敏度和精確度，必須使用隔膜將敏感薄膜與測(cè)試介質(zhì)分開，避免受到污染或損壞。

■2.2 轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)

本文所用的自動(dòng)測(cè)試傳感器是一種以壓阻效果為基礎(chǔ)的微壓式壓力傳感器。壓敏電阻器是通過感應(yīng)薄膜感應(yīng)到的應(yīng)力，把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)電阻器，再把它與給定的電源電壓相連接，從而把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)電流信號(hào)，所以它的結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。在進(jìn)行變阻器的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到：一定要保證摻雜的均勻度；電橋應(yīng)采用開放式的環(huán)形結(jié)構(gòu)；雜質(zhì)種類及濃度的選取。

■2.3 信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的作用是進(jìn)行信號(hào)放大調(diào)制和濾波，提高信號(hào)質(zhì)量。圖1 為自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路。

圖1 自動(dòng)化測(cè)量傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖

■2.4 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

由于所設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試元件主要是由微型機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成，所以必須要與其他外部設(shè)備相結(jié)合，所以傳感器的接口設(shè)計(jì)是否合理，能否充分地利用到傳感器的信息。圖2 是一種與外部裝置相連接的已設(shè)計(jì)的傳感器的界面電路圖。

表1 傳感器各個(gè)接口電路管腳功能表

圖2 傳感器接口電路設(shè)計(jì)圖

傳感器接口，也被稱為管腳，它是電路內(nèi)部與外圍設(shè)備連接的接口，所有的引腳就是這傳感器的接口。在圖3中，傳感器管腳有14 個(gè)，每個(gè)管腳所起到的能各不相同。

■2.5 傳感器工作程序設(shè)計(jì)

以上涉及的自動(dòng)檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)都是以硬件為基礎(chǔ)的，另外還要為其工作流程的編制與設(shè)計(jì)，為其工作的邏輯上的指引。感測(cè)器工作流程，也就是收集資料的方法。收集程序的步驟是：

第1 步：對(duì)感測(cè)晶片進(jìn)行初始化；

第2 步：對(duì)單個(gè)的線路進(jìn)行初始化；

第3 步：等候收集指令；

第4 步：判定收集指令是否已經(jīng)抵達(dá)？如果達(dá)到，就進(jìn)行下一個(gè)步驟；如果沒有，就轉(zhuǎn)入一個(gè)低功率的模式，再返回之前的一步；

第5 步：感應(yīng)被測(cè)量的數(shù)量；

第6 步：通過變換單元把所測(cè)數(shù)據(jù)變換成電信號(hào)；

第7 步：通過調(diào)整變換器，對(duì)電子信號(hào)進(jìn)行放大和過濾；在濾波器的收集工作結(jié)束后，由于其原始數(shù)據(jù)含有較多的噪聲，從而遮蔽了有用的信息；所以，需要采用調(diào)整變換器進(jìn)行濾波；

第8 步：收集的時(shí)刻已經(jīng)到來了嗎？如果達(dá)到，就會(huì)被打斷；或者，發(fā)射所獲取的接收方；

第9 步：要進(jìn)行下一次的收集嗎？如果進(jìn)行下一次的收集，返回至第5 步；如果沒有，請(qǐng)等一下關(guān)掉指令，然后把所有的感應(yīng)器都關(guān)掉。

3 傳感器性能檢測(cè)

面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器理論設(shè)計(jì)完成后，還需要按照設(shè)計(jì)方案制成成品，以對(duì)傳感器性能進(jìn)行驗(yàn)證，判斷設(shè)計(jì)中存在的問題，并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

■3.1 傳感器材料準(zhǔn)備

根據(jù)上述自動(dòng)化測(cè)量傳感器理論設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備相關(guān)材料，為一種微型壓力傳感器制備做準(zhǔn)備。傳感器制備材料如圖3所示。

■3.2 自動(dòng)化測(cè)量傳感器組裝

將上述物質(zhì)裝配到如圖3 所示的那樣，就可以進(jìn)行自動(dòng)的檢測(cè)感測(cè)器了。因?yàn)楹竺娴臏y(cè)試項(xiàng)目是不一樣的，6 個(gè)完成的樣品，見圖4。準(zhǔn)備好的自動(dòng)測(cè)試裝置的最終產(chǎn)品的期望準(zhǔn)則如下：

圖4 自動(dòng)化測(cè)量傳感器成品示意圖

精度：≤%F·S±0.1；非線性：≤%F·S±0.1；遲滯性：≤%F·S±0.1；重復(fù)性：≤%F·S±0.1。

■3.3 傳感器測(cè)試方案

傳感器的檢測(cè)內(nèi)容有六個(gè)方面：精度，可靠性，靈敏度；非線性，遲滯，重復(fù)性。

（1）精度測(cè)試

準(zhǔn)確度是指由感應(yīng)器獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)和對(duì)其施加的真實(shí)壓力的測(cè)量結(jié)果的偏差。采用通用式壓力儀，將所述感應(yīng)器置于所述試驗(yàn)機(jī)的底板下面，并設(shè)定所述的加壓數(shù)值（5 MPa、10MPa、15MPa、20MPa），并反復(fù)進(jìn)行10 次以上的實(shí)驗(yàn)，得到絕對(duì)值，并與所述真實(shí)的壓強(qiáng)進(jìn)行差；并求檢驗(yàn)差異 P＜% F.S+0.1。在圖5 中顯示了準(zhǔn)確率試驗(yàn)的方案。

圖5 精度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

（2）可靠性

傳感器的可靠度主要是對(duì)接觸面的密封性進(jìn)行測(cè)試，即有沒有空氣泄漏或泄漏。為了解決以上兩種情況，采用了一種壓力計(jì)和一種電壓計(jì)。前者的合格基準(zhǔn)是：平均水平＜0.05%的均勻壓強(qiáng)，說明該界面沒有泄漏問題；而對(duì)于接觸面的質(zhì)量要求則是，其絕緣電阻應(yīng)大于50 MΩ，說明該接觸面沒有泄漏的問題。

（3）靈敏度S

靈敏度是指?jìng)鞲衅麟S著輸入量變化而導(dǎo)致輸出量變化程度。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來自圖5 裝置測(cè)量所得數(shù)據(jù)。

式中，C代表傳感器輸出量的增量；g代表傳感器的初始電壓值與電極之間的距離；C0代表傳感器初始電壓值；Pm代表膜片中心最大撓度等于常數(shù)d時(shí)的最大壓力。P代表外界氣體的壓強(qiáng)。

（4）非線性度RL

非線性度是指按照時(shí)間序列，自動(dòng)化測(cè)量傳感器輸出的測(cè)量值繪制的曲線與實(shí)際壓力曲線之間的擬合偏差。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來源同上。

式中，?Lmax 代表自動(dòng)化測(cè)量傳感器輸出的測(cè)量值繪制的曲線與實(shí)際壓力曲線之間的最大偏差；FYS 代表滿量程輸出電壓值。

（5）遲滯性YH

遲滯性是指全量程范圍內(nèi)，在同一試驗(yàn)點(diǎn)輸入值增加和減少時(shí)，二者輸出電壓值之間的最大差值。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來源同上。

（6）重復(fù)性F

相同測(cè)試條件下，連續(xù)多次測(cè)量結(jié)果之間的符合程度。測(cè)試所需要數(shù)據(jù)來源同上。公式如下：

式中，a代表貝塞爾標(biāo)準(zhǔn)差。

本文所述的小型自動(dòng)壓力測(cè)試器的測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。通過與以上的傳感器檢驗(yàn)符合要求的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相比較，所得到的測(cè)量值都符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而驗(yàn)證了所研制的傳感器滿足了要求，能夠應(yīng)用在真實(shí)的壓力試驗(yàn)中。

表2 自動(dòng)化測(cè)量傳感器性能檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

總之，該儀器應(yīng)用范圍很廣，能夠?qū)Ω黝悈?shù)進(jìn)行測(cè)量和測(cè)試，為用戶提供了很好的數(shù)據(jù)收集服務(wù)。但是，在對(duì)傳感技術(shù)進(jìn)行了不斷地探索之后，這種傳感技術(shù)正朝著更為精密的方向發(fā)展。本文著重于敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和各類元件的設(shè)計(jì)，并根據(jù)已完成的元件測(cè)試，判定其是否達(dá)到了產(chǎn)品的質(zhì)量要求。測(cè)試結(jié)果表明，所研制的傳感元件的性能滿足要求，結(jié)構(gòu)合理，可推廣使用。但是，由于測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)都是在一個(gè)比較理想的工作條件下進(jìn)行，而且由于傳感器的工作條件比較苛刻，所以測(cè)試的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)有很大的偏差；為了使該傳感器的工作特性得到更好地改善，需要對(duì)其進(jìn)行深入的研究和測(cè)試。