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气压传感器电路设计论文

1压阻式气压传感器

1.1气压传感器的结构设计

压阻效应于1865年由LordKelvin首先发现,现在这个原理广泛应用于传感器原理中。当传感器薄膜结构上的压敏电阻受到外界压力作用时会产生形变,使电阻率发生变化从而引起电信号的改变,这就是压阻式压力传感器的工作原理。由此可见,压敏电阻的变化与受到的压力大小和压阻系数有关。本文中的气压传感器是基于硅的压阻效应设计的,制备的气压传感器芯片结构截面图。传感器结构由一个单晶硅弹性薄膜和集成在膜上的4个压敏电阻组成,4个电阻形成了惠斯通电桥结构,当有气压作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所施加压力成线性比例关系的电压输出信号。

1.2气压传感器制作工艺流程

整个流程主要是采用硅表面微加工工艺。与传统的压阻式压力传感器的加工方法相比,该工艺流程采用了外延单晶硅硅膜的工艺进行真空腔密封,这种方法可以克服传统的湿法刻蚀工艺的缺点,加工出的单晶硅膜具有很好的机械性能。①首先,对硅衬底采用各向异性干法刻蚀,刻蚀出一道道约5μm深的浅槽。然后采用各向同性干法刻蚀,使浅槽下方形成一个连通的腔。②采用外延工艺,在衬底上进行单晶硅外延,并利用外延的硅材料将浅槽完全封住,从而在下面形成一个接近真空的密封腔。外延工艺如下:温度为1135℃,采用的是H2,PH3等气体,外延时的真空度为80torr。③在对外延硅层的局部区域进行小剂量硼离子注入。该部工艺主要是为了制作压敏电阻,压敏电阻主要位于膜四边的中央。④对局部区域进行大剂量硼离子注入。该步工艺主要是要实现压敏电阻条之间的欧姆连接,并为压敏电阻的引出做准备。⑤在硅片表面生长一层氧化层及氮化层,用作绝缘介质层。⑥对氧化层和氮化层光刻并图形化,形成接触孔。⑦溅射金属层并光刻图形化,形成引线及压焊块。

2测试电路设计

此压阻式气压传感器,压敏电阻初始电阻值为163Ω,满量程输出电阻变化最大为9Ω,针对此微小阻值变化量,本文中设计了一款专用接口测试电路。该测试电路主要包括STM32系列单片机及ADS1247模/数转换模块和液晶显示模块。电路应用时将惠斯通电桥输出节点与测试电路连接起来,通过硬件和软件的结合实现外界气压信号的检测并转化为数字电信号进行输出,读数在LCD显示屏上进行显示,测试电路板的说明如图4所示,针对部分重要模块的电路设计在下文说明。

2.1电源电路设计

测试系统中需要用到3.3V和5V两种电压(选用的STM32单片机规定工作电压为2.0V~3.6V,ADS1247数/模转换模块模拟电源部分供电电压为5V),根据测试电路元件的需求,采用国产LM2940-5和LM1117-3.3两个稳压模块来进行电源供电的设计。

2.2ADS1247模/数转换电路设计

ADS1247是TI公司推出的一种高性能、高精度的24位模拟数字转换器。ADS1247单片集成一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟、一个精密(ΔΣ)ADC与一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟。内置10mA低漂移电源参考和两个可编程电流型数字模拟转换器(DAC)。通过程序设置,在输出电压裕度内,DACS可为外部提供多种强度的电流,分别为50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外,ADS1247还具有一个可编程放大器(PGA),放大倍数可设置为1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

3气压传感器性能测试分析

气压传感器作为一种高空探测的工具,它的性能好坏直接影响到高空探测的准确性,针对本传感器结构进行测试并从数据中对气压传感器的灵敏度、线性度、测试精度进行了分析及拟合修正。

4结束与讨论

①本文针对一种压阻型气压传感器,设计了专用型压阻式气压传感器输出信号检测电路,实现了微小电阻变化量的检测。②对传感器进行测试,并对数据进行了详细的分析和拟合修正,实现全量程范围内误差不超过2.6hPa,完成传感器的性能测试与标定。③通过软硬件结合进行数模转换,实现传感器的数字输出,完成传感器的接口电路设计。

作者:秦晓霞高艳余辉洋聂萌单位:东南大学电子科学与工程学院

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