基于模型识别的高温微型压力传感器

基于模型识别的高温微型压力传感器 8仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 技术与传感器2003年 基于模型识别的高温微型压力传感器 张丹,冯勇建,郑志霞 (厦门大学机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系,福建厦f1361005) 摘要:高温测量是急需解决的测量问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一.介绍一种将放大电路与信号传感器件分离的基于模型识别技术的高 温微型电容式压力传感器.电阻电容信号滤波网络和信号的模型识别组成一个微型传感系统,在对滤波网络进行激励 和模型识别后就可以得到变化的电容值.这种MEMS技术制作的硅玻璃键合的电容式压力传感器,可以在小于300oC 环境下工作.此高温测量系统既满足高精度测量的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,也避免了在高温环境中进行信号放大的难题. 关键词:模型识别;高温;压力传感器;MEMS工艺 中图分类号:Tit212文献标识码:B文章编号:1002—1841(2003)09—0008—02 IqtigeTemperaturePressureMicrosensorBasedOilModelIdentification ZHANGDan,FENGYong-jian,ZHENG:/Jai-~da (Dept,ofMechanicalandElectricalEngineering,XiamenUniversity,Xiamen361005,China) AbsI 删:Measuringinhightemperatureisaproblemindireneedofsloving.Akindofhishtemperaturecapacitive pressuremi? erosen$orbasedonmodelidentificationisintroduced,qhemicrosensorismadeofRCsisn~filterandsisn almodelidentification.Canget acapacitorafterinspiringthefilterandmodelidentification.ItCanworkinaconditionlessthan300oC.Th ehightemperattmemeasIlIiJ systemwithhighprecisionavoidsthetroubleofamplifyingsisnalinhightemperature. KeyWords:ModelIdentification;HighTemperature;Pl螂I】reSensor;MEMS 1引言介绍一种利用MEMs技术制作的基于模型识别技术的耐 自从半导体硅诞生以来,硅压力传感器就一直受到人们的高温电容式压力传感器,利用MEMs技术制作硅玻璃键合的电 关注.但是传统的扩散硅压力传感器是PN结隔离,当温度升容式压力传感器,可以在<300?的环境下工作;通过溅射剥 到100oC以上,PN结的漏电流过大,使器件无法工作.为了使离的方法制作的微型铂电阻可以与电容式压力传感器形成滤 硅压力传感器满足高温测量压力的要求,在20世纪80年代中波网络.在对滤波网络进行激励和模型识别后就可以得到变 期有人提出用多晶硅材料做压敏电阻的想法,这种多晶硅传感化的电容值.这种设计既满足高精度测量的要求,也避免了在 器的最高工作温度可达到200?,比扩散硅压力传感器提高了高温环境中进行信号放大的难题. 约10o?,一些国家现已研制出了最高工作温度为30o?的多2高温压力传感器的工作原理及加工工艺 晶硅高温压力传感器.与多晶硅高温压力传感器类似的较高2.1高温压力传感器的工作原理 温度的压力传感器主要有硅一蓝宝石传感器,这种传感器在制在高温下测量压力时,由于高温能使硅基制作的放大芯片 作晶体时不用PN结隔离,而采用介质隔离,因此,这种材料制工作失效,因而采取一种将放大电路与信号传感器件分离的设 作的硅一蓝宝石高温压力传感器最高工作温度可以达到350计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,利用l怔MS技术制作由电阻电容组成的信号滤波网络 ?.但是,硅一蓝宝石压力传感器工艺复杂,成品率低.国外对和信号的模型识别组成一个耐高温的微型压力传感系统.电 耐高温力传感器的研究主要集中在硅的加工工艺上,即用不同容式压力传感器与微型铂电阻形成一个滤波网络,在一定的温 的加工工艺得到具有耐高温的压阻压力芯片.目前较成熟的度和压力下,输入一交流信号激励该滤波网络,在输出端会产 几种高温压力传感器有多晶硅高温压力传感器,碳化硅高温压生一组值,根据这组值进行模型识别得到变化的电容值,从而 力传感器,石英高温压力传感器,SoI(绝缘体上硅)高温压力传得到所要测量的压力值. 感器u,s0s(蓝宝石上硅)半导体高温压力传感器,以及溅射合2. 2高温压力传感器的加TT艺 金薄膜,陶瓷厚膜,光纤等高温压力传感器,而硅高温压力传感典型的电容式传感器由上,下电极,绝缘层和衬底构成. 器以工作温度高,体积小,灵敏度高等优点倍受人们的青睐.利用MEMS技术制作电容式压力传感器包括以下几个过程:清 硅高温压力传感器大致可分为4种形式:压阻式;电容式;MOS洗,氧化,光刻,腐蚀,硼扩,溅射,键合,金属化引线等[3l. 式;薄膜式.在硅压力传感器里发展最早的是压阻式的压力传根据公式C:,.(S/d),其中,:8.85×10,设电容为圆 感器,利用硅的压阻效应可以获得比金属应变片信号强度高得 多的压敏元件,这使得压力传感器的质量得到了很大的提高, 但是,压阻式传感器是应力灵敏的,对封装要求高,抗干扰能力 差,灵敏度不高.电容式压力传感器是继压阻式压力传感器之 后发展的一种压力传感器,它具有抗干扰能力强,温度影响小 的特点[2I. 收稿日期:2003—04—07收修改稿日期:2003—05—22 形,电容值C=50pF,面积为S:不r2,其间距d=1.5ttm,计算 得出电容面积S=8.4746×10,m2,半径r:0.52Innl 根据公式R=ID?(1/S),采用铂电阻,其P:10.5263× 10I5Q?em,电阻值R:1000Q,令溅射的钥膜宽为0.02l珊, 厚度为0.2/an,截面积S:4×10I1m2,得出铂电阻长度,: 380m.在压力传感器的输入端加10v的交流电压,瞬间流过 铂电阻的最大电流为0.1A,经过计算,电流流过时,该厚度的 铂膜不会被熔掉. 第9期?传感器技术?9 电容式高温压力传感器的制作工艺流程如下:氧化,si上 下表面生成si02一光刻一腐蚀,去掉底层的部分si02一浓硼扩 散,在Si的表面形成一层硼硅膜一腐蚀,去掉si片上的sio2— 3 究 3.1 在玻璃片上溅铂电极和铂电阻一在溅射完铂的玻璃片上长一 层si02一露出电容的两个电极并进行键合一腐蚀,除去si一金 属化引线. 图1高温压力传感器的工艺流程图 高温压力传感器的特性仿真及模型识别研电压,可测出电阻R值,从而算出电容C的值,进而 得到压力 的值. 特性仿真 图1中所示的高温压力传感器的传递函数为 G(s)=丽1 G():丽1 3.2.2模型识别研究 在式(3)中,?与A成非线性关系,可以利用变换法,将这 一 数学模型转换成只包含线形参数的模型,从而利用曲线拟合 (1)的方法得出线性系数Rc2的值.原始数学模型为 (2) 所以增益 而? 设电阻R=1000Q,C=50pF,其特性曲线如图2中的曲 线1;当电阻值不变,电容增加2pF时,其特性曲线如图2中的 曲线2;当电容不变,温度变化很小,电阻增加10Q时,其特性 曲线如图2中的曲线3;当电容不变,温度变化较大,电阻增加 193Q时,其特性曲线如图2中的曲线4.由此可以看出,电容 变化很小时,曲线的变化可以识别,而电阻变化很小时,曲线的 变化不易识别,电阻变化较大时,曲线变化容易识别.这说明 电容变化对该电路影响很大. . , . ,睦1 曲{2 _?-?? 曲线4一 \ 频率/(×10Hz) 图2高温压力传感器的特性仿真图 3.2模型识别研究 3.2.1原理 在一定的压力和温度下,图2所对应的压力传感器有一组 输出值,其传递函数为G():1/,,增益A= 1 === 1 ::.其不同的对应不同的值,用这一组值进行 ,/(鼢)+1 曲线拟合,得到拟合曲线和RC之值,在电阻R两端加上直流 1~/冠C+ y2=1: (4) (5) 令系数Rc2=n,则y2=—(6) +l Y,:+1(7) Y,一1=(8) 令=,Y=Y,一1所以原始数学模型转换为线性模型为 Y=aX(9) 式中a为线性参数即月c2的值. 图3为电容为50pF,电阻为1000fl时的拟合曲线图.其 中,实线为原始数据的曲线,虚线为拟合的曲线,两曲线完全重 合.计算出的RC值为5×10一,R为1000Q,所以c值为50 pF,这说明用曲线拟合的方法中可以准确的计算出电容的值. l 09 0.8 07 06 0.5 0.4 0.3 \ ‘\ \ .\ \ \ \. \ \ \. 123456 频率/(×107Hz) 图3拟合曲线图 由于温度变化,湿度变化,光照,振动,金属化引线等多种 原因,高温压力传感器会产生一定的噪声,图4为高温压力传 感器产生噪声时的曲线拟合图.拟合曲线和(下转第49页) 雪 第9期?研究与开发?49 定时器的工作方式以及8255的初始化,TC1602A的初始化等. 数据采集及处理主要包括实时采集电炉的炉温信号,计算 出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率,并对炉温信号 进行滤波和限幅处理. 模糊推理部分采用合成推理的查表方法,该方法是事先制 作模糊控制表,将该表事先置人内存,供查表使用.在实际控 制时,模糊控制器首先把输入量的语言变量论域中,再根据量 化的结果去查表,求出控制量. 5结语 电加热炉采用模糊控制控制过程过程的鲁棒性很好,抗干 扰能力强,超调基本为零,控制精度在?l.c,可实现快速无超 调的跟踪给定输入,对参数变化有较强的适应能力,它将在电 加热炉温度控制中起到越来越大的作用. 参考文献 [1]王耀南.智能控制系统.长沙:湖南大学出版社,1996. [2]谢宋和.单片机模糊控制系统设计与应用实例.北京:电子工业出 版社,1999 [3]李华.Mcs__5l系统单片机实用接口技术.北京航空航天大学出 版社,1999 [4]孙育才.Mcs一5l系列单片微型计算机及其应用.南京东南大学 出版社,1997 [5]姜波.单片机温度自动控制系统.自动化与仪器仪表,1996. [6]寥哲智.LW型电阻炉温度控制系统.包装工程,2001. (上接第46页) 便可投入实际运行. 实际上,除了容器壁厚的影响外,余振信号衰减时间的大 小还与超声波的频率有关,一般情况下超声波的频率愈低,余 振持续时间也会愈长,但过长的余振衰减时间也于测量无益. 相反,频率愈高,余振信号的衰减时间愈短,而过快的衰减于测 量也不利,所以综合各方面的因素,从试验结果来看超声波的 频率宜为1MHz左右. 5结束语 根据上述原理,已研制出定点液位测量装置,并在室内模 型试验和现场实测试验中取得成功.实践证明该装置具有安 装简单,调整方便,使用可靠,测量精度高等特点,对于高压密 封容器定点液位的检测与现有其他方法相比有显着不可替代 的优越性.这种方法容器内部定点液位测量的行之有效的新 方法. 参考文献 [1]冯若,姚锦钟,关立勋,等.超声手册.南京:南京大学出版社, 1999. [2]金长善.超声工程.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1989. [3]同济大学声学研究室.超声工测量技术.上海:上海人民出版社, 1977. (上接第9页)原始数据线重合,得到的n值,即C= 2.4557e,R=1000,所以C:49.556pF,误差为50—49.556= 0.444pF.由于噪声的影响,拟合出的电容值会有一定偏差. l 0,9 0,8 0,7 0,6 0.5 0,4 0,3 \. \ \ \ \ \ \ \ ,’\. 0l23456 囊率/(×10Hz) 图4含噪声时的拟合曲线图 铂电阻的阻值随着温度的变化而变化,温度系数TCR= 0.03851的标准铂电阻的温度与阻值的关系如下表: 表1铂电阻温度一阻值 温度/oC电阻值/fl温度/?电阻值/fl 一 5O8?.07Ol0()o.00 5oll93.95l0ol385,00 l50l573.1520ol75840 25ol940.74 当温度升高时,铂电阻的阻值增加.在温度变化的过程 中,会产生一些噪声,不同温度下根据拟合曲线求出的电容值 有所不同.表2为不同温度没有噪声和含有随机噪声两种情 况下拟合结果的比较. 表2不同温度下的曲线拟合结果 4结论 基于模型识别技术的高温压力传感器是通过曲线拟合的 方法计算电容,从而求出压力值,优于传统的高温测压方法. 这种测压方法简单,可以节省成本,具有实际的推广意义.但 噪声的影响会使测量结果有一定的误差,因此,该高温压力传 感器还有待于进一步的改进和提高. 参考文献 [1]单昌硅,SO1高温压力传感器的研究.传感器世界,2O03,9(2):36 — 37, [2]贾伯年.传感器技术.第二版.南京:东南大学出版社,2000:96一 llO. [3]李德胜,技术及其应用.第一版.哈尔滨:哈尔滨工业大学 出版社,2O02:44—46.