SOI宽温区微型智能压力传感器的设计与实现

高 峰，赵建立，李静文

（南京盛业达电子有限公司，南京 211161）

SOI宽温区微型智能压力传感器利用SOI材料硅氧化物隔离的材料特性，实现了硅基压力敏感电阻与基片衬底之间的纯物理隔离，解决了常规PN结隔离的硅基压力传感器在宽温区范围内（-55℃～+150℃）的两端极限温度下漏电流增加导致敏感元器件性能劣化，或由于环境干扰、电磁辐射等环境影响造成的传感器精度、稳定性降低或失效影响传感器性能的关键问题，使其具有高精度、宽温区、抗辐射、微型化、稳定性好、无体硅闩效等特性，在工业过程控制、航空航天、物联网等领域具有广泛应用[4-6]。

1 SOI压阻式压力传感器的基本原理

压阻式压力传感器的基本原理是利用硅的压阻效应，将被测压力的变化转换为敏感元件的电阻变化，然后通过转换电路将电阻值的变化转换为电压输出。当材料受到应力作用时，其电阻或电阻率发生明显的变化的现象就叫做压阻效应[7]。压阻式压力传感器如图1所示。

B，E间的电势差UBE=0，电路无电压输出

B，E间的电势差UBE≠0。根据此电路特性，将R1，R2，R3，R4制成为高精密半导体电阻应变片，利用其半导体压阻效应，将压力造成的机械变形转换为电阻本身的阻值变化，进而改变电路中的电势差UBE，以此来测量出压力大小。

图1 惠斯登电桥电路Fig.1 Wheatstone bridge circuit

由于压力的原因，硅晶体的电阻发生变化，变化的大小与受到的压力大小有关，同时与材料本身的压阻系数有关。影响压阻系数最主要的因素是环境温度和扩散杂质表面的浓度。半导体硅、锗材料中的压阻效应比金属材料中压阻效应要大的多。

2 SOI宽温区微型智能压力传感器的工艺技术

SOI宽温区微型智能压力传感器，包括传感器壳体、安装于该壳体的压力敏感元件、调理该压力敏感元件输出信号的信号调理电路和引出该调理电路输出信号的输出电缆。

关于SOI宽温区微型智能压力传感器的工艺技术，本文主要介绍SOI敏感压力芯片MEMS制造工艺技术、宽温区SOI压力传感器芯体的封装工艺技术及基于ASIC的SOI宽温区压力传感器智能化温度补偿技术研究，SOI宽温区微型压力智能传感器的批量化生产工艺流程设计。

2.1 SOI敏感压力芯片的MEMS制造工艺技术

核心敏感芯片是采用SOI硅晶圆以MEMS制作工艺技术制作生产。用SOI材料研制耐高温压阻力敏感芯片的目的就是通过SiO2绝缘层将力敏芯片的检测电路层与硅基底隔离开来，避免了高温下检测电路与基底之间的漏电流的产生，提高力敏芯片的耐高温特性。

随着时代的发展，无线网络通信技术的应用范围更加广泛，这也给无线网络环境的安全提出了更高的要求。当前无线网络通信中采用的安全技术主要包括WPKI技术和IBC技术两种。其中WPKI技术是在有线网络PKI基础上建立起来的，只对无线通信网络中的无线环境部分进行了改进，所以WPKI技术在无线网络通信环境中的应用局限性较大。而BIC则结合了无线网络通信技术的特点，是一项专门针对无线网络环境的安全技术。因此，未来无线网络通信安全技术的发展也必将以IBC技术为主。

在SOI材料的顶层硅上制作硅敏感电阻元件，敏感电阻元件采用MEMS技术对应制作在硅压阻效应区内，电阻器件采用金属薄膜连接并组成惠斯登电桥阵列；以MEMS微机械加工工艺技术采用的各向异性腐蚀方法，在SOI基片的背面制作出周边固支的弹性膜片，并通过阳极键合工艺，将玻璃圆片与硅晶圆背面刚性连接，构成压力敏感芯片，实现耐高温压力敏感器件的设计制造。

2.2 宽温区SOI压力传感器芯体的封装工艺技术

本项目传感器结构采用隔离密封全硬封结构。其特点是将敏感芯片装配在金属管座上并与外界感压环境刚性隔离，采用半导体引线键合工艺使敏感芯片与管座电极连接，用波纹金属膜片隔离敏感芯片与被测环境（介质），通过充灌液传递被测介质压力到敏感芯片，完成敏感芯片对外界被测压力的感测过程，同时敏感元件把感受的压力利用芯片上的电阻器件根据压阻效应在电流的激励下，通过电桥将压力信号转变成电信号予以输出，实现介质压力的测量。

通过该工艺结构，避免了被测介质与敏感元件的直接接触，在提高传感器稳定性的同时提升其适应能力。

2.3 基于ASIC的SOI宽温区压力传感器智能化温度补偿技术

在实际应用中，压力传感器会受到温度的影响，导致温度漂移和灵敏度漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。国内经常使用硬件补偿和软件补偿两类方法对压力传感器进行温度补偿。采用厚膜集成电路数字温度补偿技术和非线性修正技术，对压力传感器进行零位修正和温度补偿。

针对SOI宽温区压力传感器开展基于专用集成电路（ASIC）的智能化算法研究。通过在-50℃～+150℃宽温度范围内测试SOI压力传感器压力-输出曲线，开展宽温区温度补偿算法研究，利用商业化ASIC芯片实现SOI压力传感器的宽温区温度补偿，实现智能化温度补偿及线性化输出，如图2所示。

图2 基于ASIC的SOI宽温区压力传感器智能化温度补偿技术Fig.2 SOI wide temperature region pressure sensor which based on ASIC temperature compensation technology

2.4 SOI宽温区微型压力智能传感器的批量化生产工艺流程设计

基于MEMS的SOI宽温区微型智能压力传感器，其制作过程包括前期核心敏感芯片的设计、核心敏感芯片的制备、敏感芯片选择分析及MEMS加工筛选、宽温区高精度的SOI传感器芯体研制、研制满足项目要求的宽温区SOI传感器产品、后期高精度SOI传感器产品模块实验、系列化。

3 SOI宽温区微型智能压力传感器的结构性能

3.1 SOI宽温区微型智能压力传感器的结构

SOI宽温区微型智能压力传感器主要由扩散硅压力芯体、电路板、进压头、壳体、输出接口五大部分组成。

3.1.1 压力芯体

压力芯体用于放大特定桥式传感器和温度校正传感器信号。该设备提供数字传感器偏移补偿、灵敏度，由一个16位的温度漂移和非线性RISC微控制器运行一个多项式校正算法。

图3 压力芯体的内部结构Fig.3 Pressure core internal structure

压力芯体有3大模块：放大模块，控制模块和输出模块。放大模块里包含放大器、数据选择器和AD转换器，其主要功能是将MEMS电桥的毫伏信号放大以便处理；控制模块包含信息存储模块、通信模块和校准模块，专门用来控制信号使其转化为数字信号，并可以通过通信写入数据；输出模块包含DA转换器和PWM控制信号模块，用来再将数字信号进行处理，然后将其转化为工业标准信号输出。

3.1.2 电路板

此电路的输入信号为24 V直流电源、12 V直流电源和5 V直流电源。当采用24 V直流电源和12 V直流电源时，则用场效应管将电压降至5 V左右给芯片供电；当采用5 V电源时，则只需要稳压管便可使电路正常工作。

此电路的输出信号则采用了工业标准4～20 mA的输出特性。利用图4中三极管，利用芯片输出一定的电压使得三极管工作在放大区，再利用基极电阻控制基极电流，从而可得到4～20 mA的集电极电流，因为集电极电流的大小是电流的大小与三极管放大倍数的乘积。根据后端电路的处理，加一些元器件便可以实现1～5 V，0～5 V和0.5～4.5 V的输出，满足工业上各种客户的需求。

图4 电路原理Fig.4 Principle diagram of the circuit

3.1.3 进压接头

针对客户需求。公司设计了4种进压头，各自标识不同的螺纹形状和六方尺寸，具体如图5所示。

图5 进压头设计方案Fig.5 Design of inlet pressure head

3.1.4 壳体及输出接口

根据市场需求，公司设计了2种输出接头：派克接头和直接引线接头，每种接头可用于对应的设备，2种接头对应的设计图纸和连接方式如图6所示。

图6 两种输出接头设计图纸和连接方法Fig.6 Design drawings and connection method of output connector

3.2 SOI宽温区微型智能压力传感器的性能指标

SOI宽温区微型智能压力传感器的性能指标如表1所示。

表1 SOI宽温区微型智能压力传感器的性能指标Tab.1 Index of SOI wide temperature range the micro intelligent pressure sensor

4 结语

本文针对常规PN结隔离的硅基压力传感器在宽温区范围内（-55～+150℃）的两端极限温度下漏电流增加导致敏感元器件性能劣化，研发了一种基于MEMS的SOI宽温区微型智能压力传感器。 该产品具有较宽的工作温度（-50～150℃）、存储温度（-50～150℃）、高精度（综合精度：0.1 级）、零点温漂（±2%FS（Max））、灵敏度温漂（±2%FS（Max））、稳定性好（长期稳定性：±0.2%FS/年）、结构紧凑、外形美观等优良特性。

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