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MEMS压力传感器关键技术解析

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MEMS压阻式压力传感器是由四个高精度分布在敏感结构上扩散的电阻构成惠斯顿电桥输出差压信号,实现对力值的灵敏输出。在应用MEMS压阻式压力传感器实用化过程中,硅基材料对温度敏感性较高,受力敏电阻和漏电效应的影响,会出现零位漂移现象,从而导致灵敏度下降。对温度的影响可以通过硬件补偿和算法补偿两种方法进行。在没有外部压力下,通过增加热敏电阻、调平电阻等方法,使惠更斯电桥输出为零,从而有效地抑制或消除零点漂移。针对这种情况,算法补偿主要是根据已有的硬件条件,在传感器实验的基础上,对输出进行二次校正,以抑制或消除温度变化引起的零漂。目前常用的线性补偿算法有最小二乘法拟合直线补偿法、曲线拟合补偿法和神经网络补偿法。

噪音也是影响测量精度的一个重要因素。通常情况下,电路设计中不可避免地会引入噪声,其中包括白噪声、器件热噪声、空间电磁噪声,以及由处理电路引入的噪声。噪音等级大小与电路设计、布局、电流电压等因素有关,需要综合考虑才能达到抑制噪声的目的。解决这一问题的有效方法是设计专用的ASIC芯片,同时满足航空航天行业对低功耗设计的特殊需求。

硅压阻压力传感器比硅压阻压力传感器更能满足应用要求。该传感器具有较高的灵敏度,可测量从声压级到几十兆帕(MPa)量级;功耗较低,可降低至2个数量级;长期稳定性和重现性也明显好于硅压阻。硅容型压力传感器信号是电容信号,需要通过复杂的信号转换电路和检测电路来实现,这大大增加了电路的复杂性和设计难度。在结构设计和电路设计时,容易引入杂散电容,影响了测量的准确性。我国目前集成电路工艺条件下,可以将传感器本体和专用集成ASIC芯片结合使用。

MEMS谐振式压力传感器是新一代的数字输出传感器,它的主要特点是数字量频率输出、性能参数的稳定独立于电路设计、实现闭环自激振荡,进一步提高了检测精度。所以,在原理上,谐振式压力传感器是一种优于其它敏感机构的先进传感器。

利用双梁结构的压力传感器以差分方式提高了检测的准确性。共振式压力传感器谐振梁的机械品质因子是决定传感器性能变化的一个重要参数。对硅谐振式压力传感器,其Q值至少应在104以上,以保证传感器的幅频特性要求,并达到谐振器的高频率选择能力,通过改善输出振动信号的信噪比,实现稳定的自激振荡,达到优良的性能指标;为了使振梁处于谐振状态,通常采用静电激发/电容探测等方法来实现硅振型谐振式传感器。光、热激/光检测、电热激励/压阻检测、压电激励/压电检测、电磁激励/电磁检测等五种检测方法。在这些方法中,静电激励/电容检测和压电激励/压电检测应用较多。在谐振式压力传感器中,由于谐振梁的频变量和谐振频率基频相对值都比较小,如何实现其高分辨率检测是其亟待解决的问题。

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