扩散硅多功能集成差压传感器

收稿日期: 2003- 09- 27 � � 收修改稿日期: 2004- 02- 23 扩散硅多功能集成差压传感器 唐 � 慧1,孙海玮1,刘宏伟1,郑东明1,张治国1, 陈信琦1,郑永辉2 ( 1.沈阳仪表科学研究院,辽宁 沈阳 � 110043; 2.中国兰炼石油化工厂,甘肃 兰州 � 730060) � � 摘要:传感器的智能化从数字运算上解决传感器的温度补偿、静压补偿问题, 解决了以前静压无法补偿, 仅靠工艺解 决的难题;改变了温度补偿仅靠硬件电路的方式。大大提高了仪表的测量精度,达到 0�1% 和0�075%。增加了传感器输 出的信息量,实现了传感器的智能化, 这也是国际传感技术发展的方向。 所研制的小型多功能压力传感器是利用微电子和微机械加工融合技术在尺寸仅为 3�5 mm � 4� 0 mm 的硅片上集差 压敏感元件、静压敏感元件、温度敏感元件为一体、并将其封装在由金属膜片隔离密封的保护液中, 具有可靠的密封性。 利用数字补偿技术进行处理,可使其在- 30~ 80 的温度范围内,变送器精度达到0� 1级。该传感器能够同时实现对现 场中的差压、静压、温度变化的测量,静压和温度的测量数据可修正被测环境的差压输出信号,从而可提高差压传感器的 精度,它是工业智能差压变送器的核心部件。 关键词:扩散硅; 多功能;集成差压传感器; 差压敏感元件;静压敏感元件;温度敏感元件 中图分类号:TP212 � � 文献标识码: A � � 文章编号: 1002- 1841( 2004) 07- 0006- 02 Multi�parameter Integrated Differential Sensor of Piezoresistance TANG Hui1, SUN Hai�wei1 , LIU Hong�wei1, ZHEN Dong�ming1 , ZHANG Zhi�guo1, CHEN Xin�qi1, ZHENG Yong� hui2 ( 1. Shengyang Academy of Instrumentation Science, Shenyang 110043, China; 2. CNPC Lanlian Instrument, Lanzhou 739969, China) Abstract:The intellectualized sensors accomplish temperature and static pressure compensation by software to solve a puzzle which non�smart sensors can�t compensate static error ago,which has to resolve by improving process technology of wafer in previous technolo� gy. The novel sensors have changed temperature compensation method relying only on hardware and largely improve measurement accura� cy of instrument, which have reached 0�1% FS and 0�075% FS. The intellectualized sensors are a trend of international sensor technolo� gy development. The multi�parameter pressure sensors processed by MEMS technology with small size integrate differential pressure, static pressure and temperature sensitive element on a 3� 5 mm � 4�0 mm chip. The sensitive chip is packaged into protection liquid isolated by metallic diaphragm that has good seal feature. The transmitter accuracy has reach Grate 0�1 within - 30~ 80 by means of digital compensation technology. The sensor can measure differential pressure, static pressure and temperature at same time. The static pressure and temperature data is used to correct differential signal in testing environment, so that sensor accuracy is highly improved. Key Words: Piezoresistance; Multi�parameter; Integrated Differential Sensor; Dirfferential Sensitive Element; Static Sensitive Element; Temperature Sensitive Element 1 � 传感器芯片版图 利用! 八五∀、! 九五∀期间该院自主开发的硅压阻压力传感 器的计算机辅助设计技术( CAD)和 MEMS 设计软件,对多 功能传感器敏感芯片中的差压桥和静压桥及器件结构进行建 模和分析,模拟和计算出敏感芯片在工作状态下的应力特性和 电学性能,设计出敏感芯片的正面版图和背面结构图。图 1 是 多功能传感器芯片的结构示意图。 1# 差压敏感电桥; 2# 静压敏感电桥; 3# 温度敏感电阻; 4# 差压敏感膜片; 5# 静压敏感膜片 图 1 � 传感器敏感芯片版图 2 � 传感器敏感芯片工艺设计 借助于传感器国家研究中心的现有设备, 利用半导体 平面工艺计算机辅助设计技术( CAD)和分析设计软件, 对多种 多功能传感器敏感芯片的加工工艺进行了分析, 满足变送器的 高稳定性和低功耗的要求,最终制定出了合理的芯片加工工艺 路线。 采用离子注入掺杂工艺及浅结工艺,解决传感器的高输出 与高过载相矛盾问题,同时使得差压敏感电阻 R差= ( 12�5 ∃ 20% ) k� ,静压敏感电阻 R静= ( 25 ∃ 20% ) k� , 温度敏感电阻 R热= ( 62�5 ∃ 20% ) k� ,大大降低了传感器的功耗, 实现传感器 高灵敏度输出,而芯片本身正反向又能耐 5倍过载的性能。 采用离子注入高掺杂工艺及特殊的退火工艺, 实现传感器 的高稳定性和重复性,实现了智能仪表对传感器的最关键性能 的要求, 使传感器的短期稳定性达到 ∃ 0�1 �V/ h, 长期稳定性 达到 ∃ 0� 1% FS/ a. 采用氮化硅和二氧化硅配合屏蔽、KOH 水溶液腐蚀工艺, 实现不同量程的差压和静压敏感膜片的加工。 3 � 传感器芯体结构设计 为配合仪表厂减小变送器的体积和传感器的成本, 采用 19 mm� 15 mm 金属基座,并且采用全固态刚性连接结构, 且 镀金可伐丝管脚直接将敏感芯片上的电信号引出。图 2是多 功能传感器芯体结构示意图。 图 2 � 多功能传感器芯体结构示意图 � 2004年 仪 表 技 术 与 传 感 器 2004 � � 第 7期 Instrument Technique and Sensor No�7 � 从图 2中可以看到, 由于采用这种封装结构, 差压电阻桥 通过玻璃与导压管能够感受到传感器芯体两边的压力差 # # # 差压; 静压电阻桥由于玻璃与导压管的阻隔, 只能感受到传感 器正面的压力 # # # 静压;热敏电阻能够感受到传感器所处环境 的温度。 4 � 传感器受压部结构设计 结构设计与制造是传感器的重要环节之一。利用计算机 辅助设计技术( CAD) ,模拟和计算出受压部各部件在工作压力 时的状态, 确定出关键部件的几何参数, 设计出了以三膜片原 理为指导思想的四膜片差压受压部结构。当压力超过规定量 程的5 倍时, 受压部从结构上实现了对芯片的保护。图 3是多 功能传感器受压部结构示意图。 图 3 � 多功能传感器受压部结构示意图 5 � 传感器试制结果 按照以上设计,生产出了量程为 40 kPa和 100 kPa的传感 器,并对传感器进行了静态、温场、稳定性等测试。测试结果如 表 1、表 2 所示。 表 1� 传感器差压桥静态测试结果 项目 量程: 40 kPa 量程: 100 kPa 02031# 02032# 02033# 02049# 02050# 02051# 线性/ % FS 0�235 0�191 0�141 0�028 0�019 0�022 迟滞/ % FS 0�021 0�024 0�016 0�008 0�011 0�006 重复性/ % FS 0�014 0�012 0�021 0�025 0�028 0�024 表 2 � 量程 16kPa传感器静差压桥静态测试结果 项目 02031# 02032# 02033# 02049# 02050# 02051# 线性/ % FS 0�35 0�30 0�29 0�38 0�25 0�31 迟滞/ % FS 0�07 0�06 0�08 0�05 0�07 0�06 重复性/ % FS 0�05 0�05 0�06 0�05 0�06 0�05 � � 传感器的温漂测试结果如图 4、图 5所示。 图 4 � 传感器零点温度变化曲线 图 5 � 传感器灵敏度温度变化曲线 � � 传感器芯体的稳定性测试结果如图 6 所示;传感器温度电 阻的测试结果如图 7所示。 可见传感器短期稳定性为: % 10 �V/ V. 图 6 � 传感器稳定性曲线 ( a)完整图 � � � � � ( b)局部放大图 图 7� 热敏电阻随温度变化曲线 可见,热敏电阻的温度变化率平均约为 80 � / . 传感器的截止点测试结果如图 8、图 9所示。 图 8 � 40 kPa传感器截止点曲线 图 9 � 100 kPa传感器截止点曲线 从上述测试数据可知,多功能传感器芯体的各技术性能指 标为: ( 1)差压电阻桥: 量程为 0~ 40 kPa、0~ 100 kPa; 满量程输 出为&60 mV/ 5V;非线性为 % ∃ 0�5% FS; 重复性为 % ∃ 0�05% FS; 迟滞为 % ∃ 0� 05% FS; 零点失调为 % 30 mV/ 5V; 零点温度 附加误差为 % ∃ 0� 1% FS/ ; 灵敏度温度附加误差为 % ∃ 0� 3% FS/ . � � ( 2)静压电阻桥: 量程为 16 MPa; 满量程输出为 &50 mV/ 5V; 零点失调为 % 30 mV/ 5V;非线性为 % ∃ 0�5% FS; 迟滞为 % ∃ 0� 1% FS;重复性为 % ∃ 0�1% FS. ( 3)温度敏感电阻: 测量范围为- 30~ 80 ; 温度系数为 &50 � / . 参考文献 [1] � 牛德芳.力学量敏感器件及其应用.北京:科学出版社. [2] � 孙以材.压力传感器的设计制造与应用.北京:冶金工业出版社. [ 3] � BRYSEK J. Sili con Sensors and Microst ructures. Nova Sensors Sept , 1991. [4] � 唐慧.影响扩散硅压力传感器稳定性的因素及解决方法.传感器 世界, 2000( 8) : 13- 16. � � � � � 第 7期 唐慧等: 扩散硅多功能集成差压传感器 7���� �