一种微压探测压力传感器及其测量装置
技术领域
本发明涉及微纳机电系统(MEMS)传感器技术领域，尤其涉及一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器及其测量装置。
背景技术
气压是气象测量的一个重要因素，是压力传感器的一个重要应用途径，并且压力传感器的需求量程也出现了多样化发展，不单单局限在标准大气压周边量程，在微压测量方面也出现了许多应用需求，这需要压力传感器具有更高的灵敏度来捕捉压力的微小变化。受限于体掺杂硅材料的自身特性，传统压力传感器的灵敏度很难进行提升，研发出更强压阻效应的压敏结构显得尤为关键。同时，在压力传感器的应力薄膜的结构上进行设计与创新也成为了重点，比如如何同时优化压力传感器的灵敏度与线性度性能。压力传感器的温漂与时漂特性始终存在，从传感器的结构设计与外围匹配电路的设计角度均有相关研究。总的来说，当前市场迫切需要一款应用于微压测量的高灵敏度、良好线性度、低温漂、低时漂的压力传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提高传统压力传感器灵敏度使其满足微压测量领域的实际应用，同时可以兼顾良好的线性度；同时在传感器结构与外围匹配电路设计上消除压力传感器的温度漂移特性，并且提出一个方便简易的传感器的校准标定方案得到传感器的实时输出特性，使该传感器能达到微压测量的实际应用需求。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种微压探测压力传感器，使用SOI硅片作为主材料，衬底硅底部经过刻蚀与玻璃基底键合形成参考压力腔，刻蚀时在衬底硅与绝缘二氧化硅层之间保留应力薄膜结构，在其下方刻蚀出凹形槽结构和中心质量聚集结构，分别位于一对压力敏感硅铝异质结构的下方和薄膜中心区域，并且在绝缘二氧化硅层上方的部分刻蚀出四个对称的L型凸起结构，可以有效提升压敏结构区域的应力。在绝缘二氧化硅层上部的掺杂硅区域，通过光刻刻蚀与铝溅射工艺形成了二对硅铝异质结构，即一对压敏硅铝异质结构和一对温度参考硅铝异质结构，所述压敏硅铝异质结构位于应力薄膜上方，所述温度参考硅铝异质结构位于应变薄膜外侧。应变薄膜的凹形槽结构和L型凸起结构可以有效增强该微压探测压力传感器的灵敏度性能，同时中心质量聚集结构不但可以提升传感器的线性度，还可以在传感器应变薄膜受高量程压力产生较大扰度时起到支撑作用，防止应力薄膜损坏。
本发明提出的微压探测压力传感器的压阻敏感元件采用硅铝异质结构，即半导体材料与金属材料产生欧姆接触，结构在受到应力作用时电流会远离高导电率的金属铝，实现对纯掺杂硅压阻系数的几何放大效应，具有较大的压敏灵敏度。该异质结构有4个电极，测量时外侧引脚通入恒流源，内侧引脚测量输出电压。在实际制作工艺中，SOI硅片的器件层刻蚀了一对应力敏感结构和一对参考结构，由于参考结构处于应变薄膜外侧，利用其基本不受应力影响但会随着温度变化的特性，采用差分测量方法可以消除传感器的温度漂移特性。
本发明提出一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，包括数字电源电路、模拟电源电路、微控制器电路、传感器信号采集及调理电路、恒温系统配套电路、用于传感器校正的可编程电流源配套电路，通信方式上提供有蓝牙模块接口和TCPIP网络通信电路。
作为本发明所述的一种微压探测压力传感器测量装置的进一步优化方案，恒温系统配套电路可以进一步消除传感器的温度漂移特性，包括微处理器、加热温度传感器以及压力传感器封装外的环境温度传感器。传感器芯片封装在PCB上由金丝引出测量电极，PCB下部挖孔放置加热温度传感器，并在PCB底部贴合聚酰亚胺加热片，同时在封装壳外部安装外部环境温度传感器。其中加热温度传感器采用热敏铂电阻，连接至所述的信号采集及调理电路，外部环境温度传感器采用数字式温度传感器直接与微控制器进行通信。微控制器的控制程序中设置实际传感器与加热片、传感器与外部环境的热阻值，根据环境温度的变化来优化加热片的加热策略，一定程度上可以在保证传感器工作温度恒定时达到消除恒温系统内部温度梯度的效果。
作为本发明所述的一种微压探测压力传感器测量装置的进一步优化方案，可编程电流源配套电路可以用来消除微压探测压力传感器的时漂特性。电流源采用16位DAC芯片AD5420，从某一硅铝异质结构的外侧引脚接入，串联起4个硅铝异质结构。每次开机校正时，电流源依次输出模拟实际压力的电流，用各个测量点处的输出电压值拟合出实时的传感器输出特性曲线。
作为本发明所述的一种微压探测压力传感器测量装置的进一步优化方案，所述压敏硅铝异质结构和温度参考硅铝异质结构各自经过调理电路与滤波电路后接入信号采集电路的正负输入端。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)传感器的硅铝异质结构可以显著地增强纯掺杂硅的压阻效应，同时传感器应变薄膜的底部凹形槽结构和顶部L型凸起结构可以显著提高压敏硅铝异质结构的应力作用。传感器薄膜下方的聚集质量块可以相应地减小薄膜扰度，在提高灵敏度的同时可以一定程度补偿传感器线性度，还可以起到支撑作用，防止应变薄膜受高量程压力产生较大扰度时损坏。
(2)微控制器利用PID算法输出占空比可调的PWM波，进而控制传感器芯片PCB封装下部的聚酰亚胺加热片温度维持恒定，同时控制程序中考虑系统热阻与外部环境的换热影响，能够一定程度提高热量交换稳态后的传感器的恒定工作温度，消除恒温系统内部的温度梯度。
(3)本发明对传感器进行前期的数据测量，选定一组样本数据，确定下模拟各个标准压力的电流源大小，每次测量时上电后依次调整电流大小，测量输出电压值，进行实时输出特性曲线的拟合。
(4)本发明设计的微压测量压力传感器主要对于针对于5KPa以下的应用场景。开始正常测量后，压力数据可以通过蓝牙无线传输方式或者TCPIP网络通信方式传输至上位数据中心。
附图说明
图1是微压探测压力传感器芯片的俯视图；
图2是本发明中图1的y轴剖面侧视图及底视图；
图3是微压传感器测量装置的恒温系统剖面实物示意图及其等效电气网络图；
图4是本发明中图3的恒温系统工作原理框图；
图5是本发明中传感器自标定校准的流程图；
图6是本发明的一个具体实施例的硬件模块框图；
附图标记：1-压敏硅铝异质结构，2-L型凸起结构，3-温度参考硅铝异质结构，4-铝，5-P型掺杂硅，6-应力薄膜，7-热氧化层，8-绝缘二氧化硅层，9-衬底硅，10-凹形槽结构，11-中心质量聚集结构，12-玻璃，13-封装外壳，14-微压测量压力传感器芯片，15-PCB电路板，16-输入电流引脚对，17-输出电压测量引脚对，18-加热温度传感器，19-环境温度传感器，20-聚酰亚胺加热片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明所述的一种微压探测压力传感器，如图1和2所示，使用SOI硅片作为主材料，衬底硅9底部经过刻蚀与玻璃12基底键合形成参考压力腔，在衬底硅9与绝缘二氧化硅层8之间保留应力薄膜结构，在绝缘二氧化硅层8上部的P型掺杂硅5，刻蚀了一对压敏硅铝异质结构1和一对温度参考硅铝异质结构3，所述压敏硅铝异质结构1位于应力薄膜6上方，所述温度参考硅铝异质结构3位于应变薄膜6外侧，在应力薄膜6下方刻蚀出凹形槽结构10和中心质量聚集结构11，分别位于一对压敏硅铝异质结构1的下方和薄膜中心区域，并且在绝缘二氧化硅层8上方刻蚀出四个对称的L型凸起结构2。所述压敏硅铝异质结构1，在硅压阻条上刻蚀出4个接触点并用铝引出电极，并使用铝分流条与其形成欧姆接触，一对外侧引脚与一对内侧引脚分别用来接入电流源与测量输出电压，即输入电流引脚16和输出电压测量引脚17。
一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，包括微压测量压力传感器14及其信号采集与调理电路，加热温度传感器18、环境温度传感器19、聚酰亚胺加热片20以及微控制器组成的闭环PID控制的恒温控制系统，可编程电流源电路以及其他外围电路。如图1所示，在SOI硅片器件层进行硼掺杂和热氧化后，对其进行光刻刻蚀，光刻板制作中保留两对硅铝异质结构和4个对称的L型凸起结构2。L型凸起结构2设计于传感器应力薄膜6之上，具有提高压敏结构应力的作用。金属铝4在光刻刻蚀后溅射在P型掺杂硅5的两侧，一侧与掺杂硅形成欧姆接触达到几何放大的压阻效应，在另一侧则覆盖在掺杂硅的接触孔上，形成单个硅铝异质结构的4个电极。测量时，本发明所采用的可编程电流源AD5420从一个硅铝异质结构外侧引脚接入，并将4个结构的外侧引脚串联起来，保证同时通入相同电流并且各自单独测量内侧引脚的输出电压，由于一对压敏硅铝异质结构1的欧姆接触区刻蚀在应变薄膜6上方，可以捕捉到薄膜因受到向下的压力产生的应变，而另一对参考结构则完全位于薄膜区域6外，基本不受压力载荷作用，实际测量时用来消除温度对传感器输出的影响，即单个压敏硅铝异质结构1的电压输出经过信号放大调理后接入ADC正极，而温度参考硅铝异质结构3经过相同信号处理后接入ADC负极，这样即可消除温度扰动信号，形成减小传感器温度漂移的差分测量方式。
如图2所示，在SOI硅片器件层制作完成后，便进行衬底硅杯的刻蚀工艺，并且形成凹型槽结构10和中心质量聚集结构11，该过程主要步骤如下：
(1)使用负性光刻胶形成底部外围环形窗口形状，随后使用TMAH加硫酸铵溶液的湿法刻蚀至中心聚集质量块11的底部位置，腐蚀角度54.74o；
(2)在质量块底部表面打上负性光刻胶，继续按照中心质量块倾角54.74o的特征腐蚀至其顶部形成完整中心质量聚集结构11；
(3)在应变薄膜6底部的凹型槽外围环形打上负性光刻胶，继续向内垂直腐蚀，形成凹形槽结构10。
由此工艺形成的凹型槽结构10与中心质量聚集结构11可以平衡传感器的良好的灵敏度与线性度性能。最后，使用阳极键合工艺将玻璃12贴合在SOI硅片底部形成单个传感器空腔内的真空参考气压室，进行划片便得到了本发明提出的微压测量压力传感器芯片。理论上来说，硅铝异质结构在应力σ作用下的等效电阻公式如下所示：
在一定掺杂浓度下，ρ0为SOI器件层掺杂硅的初始电阻率，Π近似等效为P型掺杂硅的横向与纵向压阻系数，l为半测量引脚间距，L为半硅铝异质结构长度，b为结构中掺杂硅的宽度，h为两种金半材料的接触高度。在此理论式指导下，可以看到硅铝异质结构的等效电阻随着压力的变化比纯掺杂硅有了明显提高，配合上本发明中对传感器薄膜的上部L型凸起结构2和底部凹形槽结构10可以有效提高灵敏度。同时，底部的中心质量聚集结构11可以相应减小相同压力下的膜片扰度，一定程度上保证了良好的线性度，也能作为支撑体防止较大压力时的薄膜损坏。
本发明提出的微压测量压力传感器测量装置的恒温闭环控制系统如图3所示，可以用来保证传感器一定程度上工作在恒定温度下，消除该压力传感器的温度漂移特性的影响。传感器芯片14用树脂胶被封装在了PCB电路板15上，芯片的4个硅铝异质结构的16个电极均用金丝飞线至有排针连接的PCB电路板15焊盘上，对于单个硅铝异质结构，引出电极即为输入电流引脚对16和输出测量电压引脚对17。PCB电路板15由带有入气口的封装外壳13覆盖，底部掏空一定范围放置芯片加热温度传感器18，部分掏空的作用是尽量减小传感器与加热片之间的热阻，并用聚酰亚胺加热片20进行覆盖。同时，在封装外壳13外部放置环境温度传感器19。该恒温系统可以等效成为图3所示的电气网络，加热片热源等效为电流源P，传感器与加热片各自具有热容Cs和Ch，外部环境与压力传感器芯片、外部环境与加热片以及加热片与压力传感器芯片之间的热阻分别为Res、Rhe和Rhs；将温度值等效为电压降，其中外部环境温度传感器19采集到温度Te，加热温度传感器18采集到温度Th，压力传感器实际温度Ts以及控制程序中传感器的理想目标温度Ta，一般实际使用中可以在控制程序中设置为50℃。这里设定两个待定补偿系数m和n，根据该恒温系统的实际情况，应有线性表达式Ts＝m·Ta+n·Te，m＝1，n＝0即为理想加热情况。在系统达到热稳态后，压力传感器温度应该保持不变，即Ts为定值，则在每一次PID算法迭代中，都应根据外部环境温度的变化对目标温度做出如下式优化：
对图3所示的电气网络，利用电容电流公式，写出Th和Ts节点处的基尔霍夫电流等式：
当理想状态下加热温度传感器18采集到温度Th应等于目标温度Ta，并且压力传感器实际温度Ts微分为0，则由上式可以推导出该加热模型的补偿系数m和n的具体值，可将目标温度优化迭代式写为：
所以如图4的恒温控制系统原理框图所示，两个温度传感器均为模拟信号输出，经过AD转换送入微处理器。聚酰亚胺加热片功率经由TB6612芯片进行放大，其大小决定着恒温系统的内部加热温度，并且其大小有PWM驱动信号的占空比控制。每次PID算法迭代开始是系统采集到外部温度变化，根据系统实际的内部热阻值计算出目标温度的变化值得到新的目标温度，随后再用该目标温度与加热温度传感器18采集到的温度进行增量式PID算法计算得到PWM驱动信号需要的占空比变化。这样的加热策略可以保证在外界环境温度发生改变时加热装置可以自适应地改变加热功率，可以补偿外部温度变化对闭环系统内部热量产生的交换，并且消除了传感器内部的温度梯度，达到更好的恒温效果。
在传感器工作在恒温状态下的同时，为了消除其时漂特性，本发明提出了一中压力传感器的校准方法，如图5所示，针对单一硅铝异质结构的校准来说，分为学习阶段和测量阶段，芯片上的两个压敏硅铝异质结构1的校准可以先后进行。传感器电流源采用AD5420芯片，是一款高精度的16位可调电流源DAC，最大输出范围0-24mA，精度可以达到全输出范围的0.1％，满足校准需求。在学习阶段，利用标准压力发生器对传感器进行初次标定，在全量程范围内选取n个测试点，得到压力采集点Pi(i＝1,2,…,n)和对应输出Vi(i＝1,2,…,n)，随后调节电流源大小，在传感器空载状态下找到电流序列Ii(i＝1,2,…,n)，使得对应数据点电压输出值等于Vi，则该电流序列各个值便可以模拟标准压力，将该电流序列以及对应的模拟压力值写入微控制器FLASH中，完成学习过程。传感器使用初期可以使用Pi和Vi的关系进行标定，在长期使用后便要进行校准。在测量阶段的校准过程中，在空载情况下依次控制可编程电流源输出电流序列Ii(i＝1,2,…,n)，测得当前情况下模拟压力组Pi(i＝1,2,…,n)对应的实时输出电压值VRTi(i＝1,2,…,n)，并且采用牛顿n阶插值法进行非线性曲线拟合。这种方式计算简单逻辑清晰，常应用于离散数据点的拟合，适合嵌入式系统的C语言实现。首先根据下式依次计算一阶至n-1阶均差：
随后利用计算所得的均差表进行拟合，对于实际测得的输出电压Vx，对应的测量压力值Px由下式计算所得。经过该校准标定方法，可以在传感器长期使用后发生特性漂移后完成实时输出特性更新工作。
Px＝P1+f[VRT1,VRT2](Vx-V1)+…+f[VRT1,VRT2,…,VRTn](Vx-V1)…(Vx-Vn-1)
其中P1为压力采集点Pi序列的最小值，f[VRT1,VRT2,…,VRTn]为n-1阶差商。
如图6所示，一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，其一个实际用例的硬件包括电源电路、微压探测压力传感器、信号采集与调理电路、恒温系统控制电路、可编程电流源电路以及通信接口电路。所述信号调理电路采用AD620仪表放大器，通过可调电阻调节放大倍数，压敏硅铝异质结构1和温度参考硅铝异质结构3各自经过AD620信号调理电路与RC滤波电路后接入信号采集电路AD7794的正负输入端形成差分测量方式。恒温系统控制电路中，功率放大电路选用TB6612芯片，聚酰亚胺加热片接在放大电路的信号输出端，MCU的PWM信号输出接入该芯片的驱动信号输入端，通过控制PWM信号占空比来控制加热功率。可编程电流源AD5420采用SPI方式与MCU通信，电流输出将4个硅铝异质结构串联起来。在测量装置的数据通信方式上，可以选择蓝牙无线传输。蓝牙模块接口为TTL电平，直接接在MCU的串口处实现通信；也可以采用TCPIP通信，采用物理层PHY芯片DP83848的RMII接口与MCU相连，程序中移植LWIP协议栈进行TCPIP通信。
为了实现5KPa量程下的高精度微压测量，本发明设计了一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器及其测量装置，采用硅铝异质结构放大纯掺杂硅的压阻效应，同时在传感器应力薄膜上设计L型凸起结构和底部凹形槽结构增强压敏硅铝异质结构的应力，起到提高传感器灵敏度的作用。同时，传感器应力薄膜底部刻蚀有中心质量聚集结构，在保证传感器灵敏度的情况下减小膜片扰度，一定程度上保证了良好的线性度。在微压探测压力传感器测量装置中，恒温控制系统将整体温度场等效为电气网络，考虑外部温度的影响，优化了加热装置目标温度的自适应变化，有效地控制了装置的加热功率，并且保证了传感器内部恒定的工作温度，消除传感器对温度的敏感性。最后，针对压力传感器实际使用过程中的时漂问题，针对本发明提出的硅铝异质结构微压探测传感器提出了一种简易的校准方法，只需要一款高精度的可编程电流源便可以在需要校准时得到当下实时的传感器输出特性曲线。该发明满足了微压测量中的高灵敏度与良好线性度要求，在测量装置的配套电路中考虑了传感器温漂特性与时漂特性的抑制，能满足实际微压测量的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
