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工业用硅压阻式MEMS压力传感器温度测量性能

Miloscaron; Frantlović1, Ivana Jokić, Žarko Lazić, Branko Vukelić, Marko Obradov, DaVasiljević-Radović

塞尔维亚贝尔格莱德大学电气工程学院

塞尔维亚贝尔格莱德大学微电子技术中心

摘要：温度和压力是最常用的测量参数，不仅在工业过程中受到监控，在许多其他领域，如从汽车到家用电器的保健。硅微机电(MEMS)压阻式压力传感器是第一个也是最成功的MEMS传感器，以低成本提供高灵敏度，固态可靠性和小尺寸，可以通过大规模生产。传感器输出信号固有的依赖性会影响压力测试性能，在大多数情况下，需要使用纠正方法。然而，同样的效果可以用于温度测量，从而实现新的传感器应用。本文对MEMS压阻式压力传感器的温度特性进行了研究，提出了一种传感器校正方法，以及证明测量误差可以达到plusmn;0.3℃。

关键词：MEMS传感器、温度测量、传感器校正。

1. 介绍

最常用的温度传感器，在工业工程中用于接触温度测量是基于Seebeck效应的(热电偶)和基于那些铂电阻温度相关电阻的研究。前者不提供高精度（差于plusmn;0.5℃），但具有较宽的温度范围，而后者可具有非常高的性能（优于标准铂电阻温度计-SPRTplusmn;0.05℃）。

在典型的工业装置中，在过程的各个点都需要温度和压力测量，通常在远程位置，而监测和控制功能是集中式的。工业遥测依赖于使用一种特殊类型的工业级仪器，它们能够以从测量地点到控制室的电信号的形式传送它们的测量指示，因此被称为工业发射机。

在过去的三年中，工业压力变送器从简单的电子设备演变而来，它执行模拟信号处理并产生模拟输出信号到更复杂的具有双向数字通信的计算机化仪器。它的高测量性能得益于基于数字信号处理的传感器校正技术。在本文中，我们研究了使用硅压阻MEMS压力传感器进行温度测量的可能性，利用现有的智能压力变送器中已经存在的硬件资源。参考文献[1]中给出了一些早期的研究结果，而本文基于一组新的传感器获得的测量数据包含更全面的信息。

硅MEMS压阻式压力传感器的设计、制造和校正技术的研究，已在微电子技术中心（CMT）进行了25多年的成功研制和制造的压力传感元件[2]-[11]。CMT是SP-9，它被选择用于这项工作。它的目的是测量绝对压力或相对压力在0.5巴到50巴的范围内。用于制造的基材是双面抛光的单晶N型硅晶片（电阻率从3厘米到5厘米），通过硅衬底上的硼扩散形成四个p型压阻电阻器，构成惠斯通电桥。OR在径向方向上，其余两个相对于微机械膜片的边缘在横向方向上。膜片为正方形，2times;2平方毫米。在尺寸上，通过在晶片底部的硅的各向异性蚀刻来制造。膜片的厚度从43mu;m到160mu;m不等，这取决于传感元件的标称压力范围。为了达到输出信号的最高线性度，对每个膜片厚度优化压阻器的位置。传感元件模具的整体尺寸为3.2times;3.2times;0.38立方毫米。模具制造后，阳极连接到1.7毫米厚的玻璃支架上。如果感测元件用于相对压力测量，则必须有一个通道通过玻璃支撑件，以便在参考压力下的流体到达传感元件膜片的底侧。在图1a中给出了安装在TO -5壳体上的传感元件的照片。

工业级压力传感器由压力传感元件（例如，SIP-9）和金属传感器主体组成，金属传感器主体确保传感元件的最佳操作条件，保护传感元件免受损坏，并提供标准化的工艺连接。一种基于SP-9传感元件的工业压力传感器的照片如图1b所示，位于金属体内部的分离膜消除了传感元件与可能的导电性、化学侵蚀性或脏性流体之间的直接接触，需要测量。传感元件被化学惰性硅油包围，这也是一种良好的电介质。

图1a 图1b

图1 实物照片 a）安装在TO -5壳体上的传感元件SP-9 b）基于SP-9传感元件的工业压力传感器

图2示出了具有电流激励的压阻式传感器的简化电路图。对于CMT制成的典型传感元件，在没有施加的压力的情况下，电阻R1、R2、R3和R4大致相等。它们的取值范围在2 KOmega;到3 KOmega;之间，温度系数在电阻在0.13%℃到0.15%℃之间。

图2电流激励压阻式压力传感器的简化电路图

1. 方法

2.1．传感器特性

为了设计一种基于传感器惠斯通电桥电阻的温度测量方法，基于SP-9传感元件的三量规压力传感器以其温度响应为特征。所有的传感器的机械结构是相同的，具有分离膜和硅油填充。

用于表征传感器的实验装置类似于我们以前的工作中描述的实验装置[11]，除了通过在整个实验中使传感器的压力端口在正常大气压力下被设置为零的相对压力。使用连接到个人计算机的定制设计的信号采集单元来执行来自压力传感器的信号的采集。在图3中示出了单元的简化框图。

图3信号采集单元的简化框图

连接到被测传感器的输入电路由传感器激励的恒流源（I₀＝420mu;A）、两个24位Delta;-sum;模数转换器（ADC）、两个零漂移可编程增益仪表放大器（PGA）、一个零漂移缓冲放大器和一个高性能的电阻（R_ref＝5 KOmega;，plusmn;0.01%容差，电阻温度系数小于2 ppm／°C）构成。当测量低电平信号时，放大器也是必需的，也因为作为信号源的传感器的高阻抗。测量是比例的，ADC参考电压与传感器励磁电流成比例（VREF＝I0·RREF），以消除由励磁电流变化引起的误差。在其激励端口处看到的传感器的电阻被计算为RBR＝（R_ref /（A·2^n-1））n，其中A是放大器增益，N是ADC的分辨率，N是ADC输出的数值（在这种情况下，A＝1和N＝24）。在这个实验中，未测量惠斯登电桥的剩余端之间的电压。对于压力传感器的温度的参考测量，使用高性能的PT-100传感器。图中所示的温度测量块使用与压力传感器使用的电路相同的电路实现，从而使信号采集单元的输入可以互换。基于MSP430F169的控制与数据采集模块微控制器。它控制所有单元的功能，包括通过RS-232接口（PC接口块）与PC计算机进行通信。电源块包含低噪声电压调节器。信号采集单元的功耗较低，因此由4个AAA电池供电。在测试温度为20℃至70℃的范围内，利用测试室控制待测传感器的温度，在传感器特性实验中，操作者设定温度值，等待传感器温度稳定下来，然后开始测量。对每个温度值按顺序重复该过程。个人计算机接收来自信号采集单元的测量数据，显示测量指示并将数据保存到文件中。

图4三种测试传感器的电阻RBR对温度T的实验依赖性

实验获得的RBR对三个测试传感器的温度T的依赖关系如图4所示。为了在没有任何传感器校正方法的情况下评估被测传感器的温度测量性能，使用线性校准函数。使用最小二乘法[12]将其拟合到所获得的每个传感器的表征数据，计算其参数。在所有设定温度下，将温度测量误差计算为所获得的温度指示与使用PT-100传感器测量的温度值之间的差值。结果以图形方式显示在图5中。从图中可以看出，测试传感器显示的温度测量误差在plusmn;4℃以内。

图5温度测量误差delta;作为三个测试传感器的温度T的函数

2.2．传感器校正方法

为了提高测量性能，必须采用合适的传感器校正方法。在这种情况下，已经选择了第三阶多项式用于传感器校准功能。通过最小二乘法[12]将其拟合到传感器表征数据来确定其参数。在图6中给出了以三种测试传感器获得的校准函数的图。

图6三个测试传感器的校准功能

三、结果与讨论

使用所描述的校正方法的温度测量误差可以通过使用在2.1节中获得的表征数据进行计算来估计。这样的计算表明，对于三个测试的传感器，温度测量误差在plusmn;0.3℃以内。

为了实验验证基于计算的预期性能可以在实际应用中实现，使用与所描述的校正方法相同的传感器执行一系列温度测量。传感器表征和新系列测量之间的时间间隔约为六个月。随后在20℃进行偏移校正，示出了作为三个测试传感器的温度的温度测量误差的图，如图7所示。从图中可以看出，测试传感器所表现出的测量误差确实在plusmn;0.3℃以内。由于温度测量误差至少减少了10倍，所以使用所提出的传感器校正方法获得了很大的改进。得到的结果无需应用校正方法。

图7作为温度函数的温度测量误差delta;对于三个测试传感器的测试结果，其具有传感器校正

所获得的测量精度优于热电偶，并且超过大多数基于半导体的温度传感器。然而，典型的工业压力传感器既没有设计也没有优化的温度测量，因此存在一些缺点和局限性，在实际应用中必须考虑。传感器的温度范围、尺寸和形状以及动态特性是最重要的限制，因此这里将对此进行讨论。硅压阻传感元件的温度范围主要由硅作为半导体材料的物理性质决定。它从低温到130℃，而铂电阻温度计可以测量温度达到600℃，并且某些类型的热电偶超过1000℃。然而，在温度低于130℃的情况下，包括液体燃料或WAT。ER罐和管道，加热，通风，空调（HVAC）系统等。

压力传感器的尺寸和形状，以及它们的质量和其它性质，可以根据预期的应用而显著不同。在某些情况下，感测元件可以被压力或温度测量的流体包围，只有一个最小的机械支撑，而在许多工业应用中，需要具有保护油填充的相对大的金属体（如引言中所述）。因为空气中的感测元件的热时间常数为10 s的量级，即整个时间常数。传感器主要由其他传感器元件决定，特别是传感器主体。此外，所有接触温度测量的动态特性不可避免地依赖于传感器外部的参数和条件，这有助于系统的整体热惯量。许多工业过程涉及大量的流体和/或大的金属物体，其热容量导致系统的热响应时间比典型的工业压力传感器大得多。一些初步的结果表明，所述工业压力传感器的热时间常数在静止空气中约为400秒，这将在今后的工作中得到进一步的研究。

四、总结

本文提出了一种利用MEMS压阻式压力传感器进行温度测量的方法。对CMT制成的三种传感器进行了测试，并对其进行了温度测量。测量误差在plusmn;0.3℃以内。在观察到的温度范围（从20℃到70℃），可以认为是一个很好的结果，知道许多专用的基于半导体的温度传感器，以及热电偶，表现出更大的测量误差。

使用压阻式压力传感器代替专用温度传感器进行温度测量有一些缺点和局限性。作为硅基半导体器件，压力传感元件与铂电阻温度计、特别是热电偶等专用温度传感器相比，具有非常有限的温度范围（小于130℃）。另一个限制是热响应时间。一种典型的工业级压力传感器。尽管存在这些局限性，但存在许多应用，其中所描述的温度测量方法是有用的。一些有趣的新应用是可能的。例如，在安装有许多压力传感器的工业过程中，常常需要进行附加的温度测量。提出的方法使压力变送器简单地现场转换为温度变送器，以及传感器验证和各种多传感器配置。

在我们未来的研究工作中，我们打算通过使用更先进的传感器设计、材料和制造技术来提高传感器的测量性能，并克服这些局限性。例如，所提到的温度范围可以通过在SOI（绝缘体上硅）衬底上制作感测元件来克服限制[13]。对压力和温度的影响以及传感器的动态特性进行了研究。传感器校正方法的发展将继续和扩展到其他类型的MEMS传感器。

致谢:本文是由塞尔维亚教育、科学和技术发展部资助的项目TR—32008中进行的研究结果。

参考文献

1. M. Frantlović, I. Jokić, Ž. Lazić, B. Vukelić, M. Obradov, D. Vasiljević-Radović, S. Stanković,

'Temperature measurement using silicon piezoresistive MEMS pressure sensors', in Proc. 29th International Conference on Microelectronics - MIEL 2014, 2014, pp. 159 -161 (DOI: 10.1109/MIEL.2014.6842110).

1. Z. Djurić, J. Matović, M. Matić, N. Miscaron;ović (Simičić), R. Petrović, M. A. Smiljanić, and Ž.

Lazić, 'Pressure Sensor with Silicon Diaphragm', in Proc. XIV Yugoslav Conference on Microelectronics MIEL, Beograd, 1986, pp. 88-100.

1. J. Matović, Z. Djurić, N. Simičić, M. Matić, and R. Petrović, 'A Nonlinear Simulation of

Pressure Sensors', in Proc. 19th Yugoslav Conference on Microelectronics MIEL 91, Beograd, 1991

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