基于面向微机械电子技术的自动化测量传感器设计研究

代响林

（黄淮学院，河南驻马店，463000）

0 引言

在现代科技发展过程中，传感器是一项与通讯、电脑同等重要的成果。传感器的用途非常广泛，可以用于各种工业，随着对环境质量的不断提高，传感器的智能化、自动化、微型化也越来越多。本技术由微电线路、微电机、微探测器三大部分构成。微检测器，即微感应器，是微细发展过程中使用最多的一个方面，它的特点是灵敏度高,结构很小。因此，本文以一种常见的自动压力传感器为研究对象，进行了面向微机电子技术的自动检测传感器的设计。本论文的研究内容包括：理论与应用实验两个方面。前者包括：敏感膜片设计、转换元件设计、信号调整转换电路设计；主要包括传感器的界面和工作流程的设计。后者则根据前者的设计，对实际的感应器进行测试，以确定感应器的性能是否符合要求，以及能否投入使用。本文旨在为微型传感器的生产、制造和应用提供一定的借鉴，并对其在实际应用中的发展起到一定的推动作用。传感器是一种新型的探测设备，它在各行各业的发展中占有举足轻重的地位。在此基础上，提出了一种基于微机电技术的新型自动测量传感器的设计方法。通过对以微型机电技术为基础的自动检测传感器的设计，可以为改进其性能提供参考。

1 传感器与微机械电子技术概述

■1.1 传感器

传感器的兴起，为科技的发展打下了良好的基础。它是一种以电信号为基础的传感器，它包括敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源。该检测设备可将探测到的信息转化成电子信号，或以其他方式输出，用于各种工业、领域设备的探测。从本质上讲，传感器在获得目标的信息方面起着很大的作用。目前，传感技术已在工业生产、海洋探测、生物工程等各个方面得到了广泛的应用，并在一定程度上促进了人类社会的进步。

■1.2 微机械电子技术

微机械电子技术是集成电路和机械零件制造中应用最广泛的技术，也是制造传感器的关键技术。该技术在生产过程中，可以最大限度地减少所生产的电路和部件，使其达到最大限度的自动化和智能化。从根本上讲，它是一种以微机械和电子学为基础的微型驱动器和传感器，是当今世界发展的主要设备。因此，微型机电技术具有很好的应用价值。

2 面向微机械电子技术的微传感器设计方案

微机械电子是当今科技发展的一个典型的例子，它既保留了零件的功能，又把零件进行了简化和组装；它被植入到其他仪器之中，充当仪器的角色，进行数据的收集和监控。由于微型机电设备的应用范围和应用范围的限制，本文针对的是压力传感器。压强传感是以欧姆原理为基础，利用压阻特性对其进行估计的。在外部对一个半导体器件（灵敏薄膜）施加一定的压力后，这种应力就会产生相应的应力，从而引起电桥的电荷同步改变；通过欧姆原理，可以将其转换成真实的压强。

电阻变化数学公式表示如下：

当半导体材料（敏感膜片）未受到力的影响前，4 个电桥一直处于平衡状态，这时的输出电压=0。其公式表示如下：

式中，R1、R2、R3、R4 代表惠斯顿电桥4 个桥臂的电压值。而外界给予半导体材料（敏感膜片）一定压力时，与之相连的电桥将失去平衡，这时电压输出表示公式：

当R1、R2、R3、R4 都等于相同一个值时，可以简化为：

式中，Vi为供电电压。

设计之前必须先对其进行设计，包括：灵敏膜片、转换元件、信号调节转换等；传感器接口电路设计，传感器工作程序设计。本文根据微压元件的构成，将其设计分成：感应膜片设计、转换元件设计、信号调整转换电路设计；系统的界面和工作流程的开发。以下是对上述设计单元的详细介绍。

■2.1 敏感膜片设计

敏感膜片是自动测量系统中最重要的元件，它可以直接感知到被测到的物体，它是外部力的唯一触点，也是输出电压的来源。感光膜，其实是一种弹性膜，它的弹性非常好。这种薄膜的设计方法有四种，分别是：硅微加工、键合、LIGA 和准分子激光。本文选取了硅微细加工技术中的MEMS 刻蚀技术，并对其进行了详细的设计。

第一步：挑选敏感薄膜的基板，即感光元件的载体。此处，以单晶硅为基板，用作感光薄膜。

第二步：对单晶硅进行加工。在生产感光膜时，要保证单晶硅没有损坏，要经过打磨、抛光，然后再进行清洁，以除去表面的污垢。然后，等待刻蚀。

第三步：刻蚀活性标记物，即制作配准标志和划片框；

第四步：采用掩膜层，即用一种保护性的薄膜覆盖在单晶硅的表面；

第五步：将变阻器的欧姆接触区打开，即在硅片的后面去掉一些硅，从而形成一个空腔；

第六步：将离子注入接触区域，制成变阻器；

第七步：将单晶硅的标准清洗；

第八步：淀积SiO2作为隔离层；

第九步：利用磁控溅射法将Ti-Pt-Au 镀于玻璃薄片上，从而形成电极板；

第十步：对电极孔区、引线区进行光刻；

第十一步：将单晶硅薄板减薄；

第十二步：把硅片和玻璃粘接；

第十三步：包装。为了确保敏感晶片不会受到外界的腐蚀，并确保其灵敏度和精确度，必须使用隔膜将敏感薄膜与测试介质分开，避免受到污染或损坏。

■2.2 转换元件设计

本文所用的自动测试传感器是一种以压阻效果为基础的微压式压力传感器。压敏电阻器是通过感应薄膜感应到的应力，把它转化成一个电阻器，再把它与给定的电源电压相连接，从而把它转化成一个电流信号，所以它的结构非常关键。在进行变阻器的设计时，应考虑到：一定要保证掺杂的均匀度；电桥应采用开放式的环形结构；杂质种类及浓度的选取。

■2.3 信号调节转换电路设计

信号调节转换电路的作用是进行信号放大调制和滤波，提高信号质量。图1 为自动化测量传感器设计的信号调节转换电路。

图1 自动化测量传感器的信号调节转换电路设计图

■2.4 传感器接口电路设计

由于所设计的自动测试元件主要是由微型机电系统构成，所以必须要与其他外部设备相结合，所以传感器的接口设计是否合理，能否充分地利用到传感器的信息。图2 是一种与外部装置相连接的已设计的传感器的界面电路图。

表1 传感器各个接口电路管脚功能表

图2 传感器接口电路设计图

传感器接口，也被称为管脚，它是电路内部与外围设备连接的接口，所有的引脚就是这传感器的接口。在图3中，传感器管脚有14 个，每个管脚所起到的能各不相同。

■2.5 传感器工作程序设计

以上涉及的自动检测传感器的设计都是以硬件为基础的，另外还要为其工作流程的编制与设计，为其工作的逻辑上的指引。感测器工作流程，也就是收集资料的方法。收集程序的步骤是：

第1 步：对感测晶片进行初始化；

第2 步：对单个的线路进行初始化；

第3 步：等候收集指令；

第4 步：判定收集指令是否已经抵达？如果达到，就进行下一个步骤；如果没有，就转入一个低功率的模式，再返回之前的一步；

第5 步：感应被测量的数量；

第6 步：通过变换单元把所测数据变换成电信号；

第7 步：通过调整变换器，对电子信号进行放大和过滤；在滤波器的收集工作结束后，由于其原始数据含有较多的噪声，从而遮蔽了有用的信息；所以，需要采用调整变换器进行滤波；

第8 步：收集的时刻已经到来了吗？如果达到，就会被打断；或者，发射所获取的接收方；

第9 步：要进行下一次的收集吗？如果进行下一次的收集，返回至第5 步；如果没有，请等一下关掉指令，然后把所有的感应器都关掉。

3 传感器性能检测

面向微机械电子技术的自动化测量传感器理论设计完成后，还需要按照设计方案制成成品，以对传感器性能进行验证，判断设计中存在的问题，并进行改进和优化。

■3.1 传感器材料准备

根据上述自动化测量传感器理论设计，准备相关材料，为一种微型压力传感器制备做准备。传感器制备材料如图3所示。

■3.2 自动化测量传感器组装

将上述物质装配到如图3 所示的那样，就可以进行自动的检测感测器了。因为后面的测试项目是不一样的，6 个完成的样品，见图4。准备好的自动测试装置的最终产品的期望准则如下：

图4 自动化测量传感器成品示意图

精度：≤%F·S±0.1；非线性：≤%F·S±0.1；迟滞性：≤%F·S±0.1；重复性：≤%F·S±0.1。

■3.3 传感器测试方案

传感器的检测内容有六个方面：精度，可靠性，灵敏度；非线性，迟滞，重复性。

（1）精度测试

准确度是指由感应器获得的测量数据和对其施加的真实压力的测量结果的偏差。采用通用式压力仪，将所述感应器置于所述试验机的底板下面，并设定所述的加压数值（5 MPa、10MPa、15MPa、20MPa），并反复进行10 次以上的实验，得到绝对值，并与所述真实的压强进行差；并求检验差异 P＜% F.S+0.1。在图5 中显示了准确率试验的方案。

图5 精度检测现场

（2）可靠性

传感器的可靠度主要是对接触面的密封性进行测试，即有没有空气泄漏或泄漏。为了解决以上两种情况，采用了一种压力计和一种电压计。前者的合格基准是：平均水平＜0.05%的均匀压强，说明该界面没有泄漏问题；而对于接触面的质量要求则是，其绝缘电阻应大于50 MΩ，说明该接触面没有泄漏的问题。

（3）灵敏度S

灵敏度是指传感器随着输入量变化而导致输出量变化程度。测试所需要数据来自图5 装置测量所得数据。

式中，C代表传感器输出量的增量；g代表传感器的初始电压值与电极之间的距离；C0代表传感器初始电压值；Pm代表膜片中心最大挠度等于常数d时的最大压力。P代表外界气体的压强。

（4）非线性度RL

非线性度是指按照时间序列，自动化测量传感器输出的测量值绘制的曲线与实际压力曲线之间的拟合偏差。测试所需要数据来源同上。

式中，∆Lmax 代表自动化测量传感器输出的测量值绘制的曲线与实际压力曲线之间的最大偏差；FYS 代表满量程输出电压值。

（5）迟滞性YH

迟滞性是指全量程范围内，在同一试验点输入值增加和减少时，二者输出电压值之间的最大差值。测试所需要数据来源同上。

（6）重复性F

相同测试条件下，连续多次测量结果之间的符合程度。测试所需要数据来源同上。公式如下：

式中，a代表贝塞尔标准差。

本文所述的小型自动压力测试器的测试数据见表2。通过与以上的传感器检验符合要求的检验标准相比较，所得到的测量值都符合标准的要求，从而验证了所研制的传感器满足了要求，能够应用在真实的压力试验中。

表2 自动化测量传感器性能检测结果

4 结语

总之，该仪器应用范围很广，能够对各类参数进行测量和测试，为用户提供了很好的数据收集服务。但是，在对传感技术进行了不断地探索之后，这种传感技术正朝着更为精密的方向发展。本文着重于敏感元件、转换元件和各类元件的设计，并根据已完成的元件测试，判定其是否达到了产品的质量要求。测试结果表明，所研制的传感元件的性能满足要求，结构合理，可推广使用。但是，由于测试的各个环节都是在一个比较理想的工作条件下进行，而且由于传感器的工作条件比较苛刻，所以测试的数据与现实有很大的偏差；为了使该传感器的工作特性得到更好地改善，需要对其进行深入的研究和测试。