MEMS和信号调理实现扩散硅压力传感器

文中介绍通过采用MEMS(micro electro mechanical systems)技术制造的硅压阻力敏元件结合智能集成化信号调理技术设计了适合批量制造的小型化坚固封装的通用汽车压力传感器。通过智能调理技术将传感器的零位和满度进行温度校准实现了宽温度工作范围内的高精度测量，并且适合于批量制造。

　　引言

　　美国汽车传感器权威弗莱明在2000年的汽车电子技术综述就指出了MEMS技术在汽车传感器领域的美好前景。设计了基于MEMS技术和智能化信号调理的扩散硅压力传感器应对汽车压力系统的压力检测。

　　1 传感器原理及封装设计

　　为了将压力信号转化为电信号采用了应变原理，将惠斯顿检测电桥通过MEMS技术制作在单晶硅片上。使得单晶硅片成为一个集应力敏感与力电转换为一体的敏感元件。如图1所示。

　　图1敏感元件

　　当硅芯片受到外界的应力作用时，硅应变电桥的桥臂电阻将产生变化，一般都为惠斯顿电桥检测模式。如图2所示。

　　图2惠斯顿电桥

　　其输出电压表示为vo=KAR/R(Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4)。

　　因为电阻的变化直接与应力P有关，则：

　　式中：Vo为输出电压，mV;S为灵敏度，mV/V/Pa;P为外力或应力，Pa;VB为桥压，VOS为零位输出，mV.

　　单一的硅片芯片只能作为一个检测单元的一部分无法独立完成信号的转换，所以必须有特定的封装使其具备压力检测的能力。将图2中的硅片芯片与PYREX玻璃环静电封接在一起。

　　PYREX玻璃环作为硅芯片的力学固定支撑弹性敏感元件并且使硅芯片与封装绝缘，而PYREX玻璃环的孔恰好成为了传感器的参考压力腔体和电极引线腔体。其结构如图3所示。

　　图3敏感元件封装

　　如图3的敏感芯体封接在金属螺纹底座上形成进压的腔道后成为一个可安装的压力测量前端，见图4。

　　图4可安装的压力测量前端

　　此封装技术可以承载至少15 MPa的压力，若经特殊处理可承载100 MPa的压力。