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对典型硅基力敏传感器的特性评价 |
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作者：沈阳仪表科学研究院 徐开先 |
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硅基力敏传感器是指以硅（单晶或多晶）材料为基础，利用MEMS工艺，其特性参数受外力或应力变化而明显变化的敏感元件制成的传感器。这里的力包括重力、拉力、压力、力矩、压强等物理量。力敏传感器包括力传感器、压力传感器、差压传感器、液位传感器等。
硅基力敏传感器是工业上应用最多、最广的传感器之一，其技术水平、产品水平、应用水平、产业化水平受到业界的极大重视和关注，它代表着力敏传感器发展的趋势和方向。
图1、硅电容压力传感器产品
硅压阻压力传感器
硅压阻压力传感器是采用硅压阻原理，利用单晶硅良好的机械性能和电学性能，通过扩散或离子注入工艺将对压力敏感的电阻注入到感压薄膜中，实现感压元件和转换电路的集成而制作的传感器。其特性评价如下：
线性好 硅压阻压力传感器，输入和输出之间存在着良好的线性关系，由于硅压阻压力传感器通常有四个力敏电阻组成全桥式的惠斯登桥路，四个电阻虽都受到横向压力，且有相似的非线性特性，但构成全桥时，非线性特性可相互抵消，因此非线性可以做得很小。
制作工艺兼容 该传感器制作工艺相对简单，且MEMS工艺与IC工艺兼融，成本相对较低。
通过结构设计，可提高性能 利用芯片结构设计，其灵敏度可以做得很高，实现微、低压力的测量。利用“双岛结构”可实现10Ka的硅微压传感器，利用“梁膜结构”可实现1Ka的硅微微压传感器。利用硅压阻压力传感器的结构设计，可实现隔离膜片充液封装，提高硅压阻压力传感器的可靠性和稳定性。
工艺成熟 硅压阻压力传感器制作工艺成熟，生产厂家通常提供恒流、恒压供电的温度补偿网络。
缺点 从原理上讲，硅压阻压力传感器是以硅材料为基础的物性型传感器，硅材料受环境温度影响较大，会产生很大的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，且形式多样，对提高器件的稳定性很不利，同时硅压阻压力传感器必须进行温度补偿，否则工业上很难应用；建立一套完整的温度补偿技术，不仅增加成本，同时也增加了人力资源，从某种意义上来说，极大地限制了硅压阻压力传感器的广泛应用。硅压阻压力传感器的典型技术参数如表1所示。
表1、硅压阻压力传感器的典型技术参数
注：准确度包括迟滞、重复性和非线性（最小二乘法）；
没有其它说明，所有测试值均相对25℃，1mA恒流；
零点温度系数和灵敏度温度系数均为补偿温度后指标。
电容压力传感器是以硅材料为基础，采用电容原理，即利用电容极间距变化将压力转换为电容变化，由MEMS工艺制作的传感器。硅电容压力传感器特性评价如下：
稳定性好 硅电容传感器是一种结构型传感器，就检测原理而言，其稳定性优于物性型传感器，从结构设计角度保证了该类传感器的稳定性；结构工艺采用全硬封固态工艺，硅-玻璃-金属导压管采用静电封接，减少了用胶封等引起的应力、滞迟和变差；电容对温度不灵敏，温度附加误差小，不需象硅压阻器件那样进行复杂的温度补偿。稳定性好是硅电容传感器深受用户好感的主要原因之一。
指标先进 电容传感器本身具有小功率、高阻抗、静电引力小、可动质量小、发热影响小的特点，并可进行非接触测量。硅电容传感器综合性能指标如非线性、过载、静压、可靠性等性能优于硅压阻传感器、陶瓷电容传感器、金属膜片电容传感器。它与硅谐振传感器相当，特别是用户追求的非线性指标，通常硅电容传感器的非线性优于0.05％FS的成品率大于60％。
适合批量生产，成本低 硅电容传感器利用MEMS工艺制作，芯片尺寸为3mm×3mm，一个4寸硅片可制作几百个元件。产品的工艺性好，性能一致，适合批量生产，低成本运行。其制备工艺与IC工艺兼容，工艺装备无须象硅谐振传感器的工艺装备那样昂贵和复杂，也无须象金属膜片电容传感器那样单件制作，保证了硅电容传感器具有高的性能价格比。
主要问题 因其检测原理是采用电容极间距变化，而这种极间距变化本身是非线性的，为了改善非线性，开发出较为复杂的芯体结构，如接触式、变面积与变极距相串联等结构。另一个问题是要解决微弱电容信号的检测问题。
硅电容压力传感器的典型技术指标如表2所示。 表2、硅电容压力传感器技术指标
 硅谐振压力传感器
硅谐振压力传感器是以单晶硅为基础材料，采用谐振原理即谐振梁的固有频率随施加轴向力的改变而变化，用MEMS工艺制作的传感器。硅谐振传感器的性能主要处决于谐振梁的品质因素和量规因素。机械品质因素反映谐振梁振动过程中能量损失情况，而量规因素则反映了谐振梁在特定固有频率点对压力的敏感程度。一般是将谐振梁密封在真空中来提高品质因素，而通过结构改进来提高量规因素。以下是对硅谐振传感器的特性评价：
输出信号为数字量，无须经过模/数转换，可方便地与微机接口 这是由于硅谐振传感器在单晶硅芯片表面上采用MEMS技术，在中心和边缘做成两个形状、大小完全一致的H型谐振梁，且处于真空腔中，既不与充灌液接触，又确保振动时不受空气阻尼影响。谐振梁分别将压力、差压信号转换为频率信号，这样传感器直接输出频率信号，简化与数字系统接口。
静压影响可忽略不计 当加有静压（工作压力）时，两形状、尺寸、材质完全一致的谐振梁形变相同，频率变化也一致，由静压引起的偏差自动抵消。
测量精度高，稳定性好 硅谐振压力传感器的测量精度和稳定性主要取决于测量原理、结构机械特性、制备工艺、所用材质等因素，由于硅谐振压力传感器在膜盒组件内设置了特性修正存储器，存储了传感器的环境温度、输入输出特性、静压等数据，对每一个数据点可进行修正补偿，因而获得高的精度和稳定性。
单向过压特性优异 由于隔离膜片和膜盒本体采用独特的波纹加工技术，当单向压力增大到一定数值时，隔离膜片与本体完全接触，起到保护作用。
存在的问题 结构复杂，加工难度大，成本高，从性能价格比看，并非最优。在应用硅谐振传感器时，为实现闭环自激振荡，应先解决检测敏感元件微弱信号的检测问题，采用“组合敏感”原理，可较好解决这一问题，但线路较为复杂。
硅谐振压力传感器的典型指标如表3所示（参考）。表3、硅谐振压力传感器典型指标（参考）
 上述介绍了三种典型的硅基力敏传感器，采用这些传感器生产的变送器，目前国内均在批量生产，广泛应用于自控领域。变送器的特性与采用的传感器的特性有很大关系。(end)
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(6/7/2010) |
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