将放大电路与压力敏感元件分离的高温压力传感器设计

发布时间：2019-6-15 发布人：泽天公司点击：

高温压力传感器是为了解决在高温环境下对各种气体、液体的压力测量。高温压力传感器应用领域很多，主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器、井下压力和各种发动机腔体内的压力、高温油品液位与检测、油井测压等。由于高温将使放大电路工作失效，因而采用将放大电路与传感器件分离的设计方案是解决高温测量的方法之一。压力传感器件由MEMS工艺来实现，信号激励与信号处理由计算机来完成。对电路的工作过程进行了计算机仿真和试验，并给出了微型高温压力传感器的MEMS工艺设计流程。

放大电路与压力敏感元件分离的高温压力传感器实物

传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器体积小、质量轻、信号幅度大。目前，研究比较多的高温压力传感器主要有SOS，SOI，SiO2，Poly2Si等半导体传感器，还有溅射合金薄膜高温压力传感器、高温光纤压力传感器和高温电容式压力传感器等。半导体电容式压力传感器相比压阻式压力传感器其灵敏度高、温度稳定性好、功耗小，且只对压力敏感，对应力不敏感，因此，电容式压力传感器在许多领域得到广泛应用。

硅电容式压力传感器的敏感元件是半导体薄膜，它可以由单晶硅、多晶硅等利用半导体工艺制作而成。典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。由于高温压力传感器工作在高温环境下，补偿电路会受到环境温度的影响，高温工作区温度可达350℃，从而产生较大的误差。为了避免补偿电路在高温环境下产生较大误差，把传感器件与放大电路分离，压力传感器件由铂电阻和电容式压力传感器构成。

高温压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成。其中下电极位于厚支撑的衬底上。电极上蒸镀一层绝缘层。硅膜片则是利用各向异性腐蚀技术，在一片硅片上从正反面腐蚀形成的。上下电极的间隙由硅片的腐蚀深度决定。硅膜片和衬底利用键合技术键合在一起，形成具有一定稳定性的硅膜片电容压力传感器。由于铂电阻耐高温，且对温度敏感，选用铂电阻，既可以当普通电阻使用，又可以作为温度传感器用以探测被测环境的温度。金属铂电阻和硅膜片的参数为:0℃时铂电阻值为1000Ω;电阻率为1.0526316×10^{- 5}Ω·cm、密度为21440kg/m³ 、比热为132.51J/(kg·K)、熔断温度为1769℃，故铂电阻可加工为宽度为0.02mm厚度为0.2μm总长度为3800μm，制作成锯齿状，可在幅值为10V的阶跃信号下正常工作。电容式压力传感器的上下电极的间隙为3μm、圆形平板电容上下电极的半径为73μm、其电容值为50pF。基本电路是由一个金属铂电阻和一个电阻式高温压力传感器构成。金属铂电阻对温度变化敏感，若选用零度时电阻值为1000Ω、温度系数为3851×10^{- 6}/℃的铂电阻，其温度变化范围从-50～350℃时，相应的电阻从803.07～2296.73Ω。由电阻的变化可测得环境的温度。压力传感器在不同压力下有不同的电容值，因此，在同一温度下，输入同一交流电压信号时，其输出信号不同。