一种新型CMOS电容式绝对压力传感器的设计
一种新型电容式传感器的设计与制造
一种新型电容式传感器的设计与制造电容式传感器是一种常见的传感器类型，它利用物体与传感器电极之间的电容变化来检测物体运动或变化。
本文将介绍一种新型电容式传感器的设计与制造。
1. 传感器的原理电容传感器是基于电场感应的原理，当两个电极之间介质介质发生变化时，通过测量电容的变化来检测物体运动或变化。
在电容传感器中，电极之间的距离和介电常数会影响电容值的变化，因此需要对这些因素进行控制和测量。
2. 传统电容式传感器的缺陷传统电容式传感器的设计中，电极之间的距离通常很小，因此对于大多数应用来说灵敏度较低。
此外，电极之间的互补效应也可能影响传感器的性能。
因此，需要对传统电容式传感器进行改进和优化。
3. 新型电容式传感器的设计新型电容式传感器的设计加入了多数电容器和信号处理器等模块，具有更高的灵敏度和稳定性。
在新型电容式传感器设计中，将多根导线放置在物体周围，并将氟化物板或金属片用于作为电极，因此可以实现对物体绝对距离的测量。
此外，新型电容式传感器还增加了信号放大器和数字转换器等模块，可以提高测量精度和信噪比。
信号处理器可以对输入信号进行滤波、校准和线性化等处理，同时允许用户实时监测和记录传感器输出。
4. 传感器材料的制备新型电容式传感器的制备需要使用氟化物和金属材料。
在制备过程中，需要将氟化物材料加工成所需的形状，然后将其与金属材料压制在一起，形成电容电极板。
5. 传感器的制造为了制造新型电容式传感器，需要准备两个电容电极板，然后将两个电极板夹在一起，并用胶水固定。
在固定过程中确保两个电极板之间的距离足够小，然后将电容电极板连接到电路板上，并加入相应的放大器和滤波电路。
6. 总结新型电容式传感器的设计和制造需要考虑多个因素，如电容器和信号处理器等模块的优化和协调。
在设计和制造过程中需要特别注意电容材料的加工方式和粘合剂的选择。
这种新型电容式传感器的设计和制造，基于包括氟化物或金属在内的多种材料，提高了电容式传感器的灵敏度和稳定性，为传感器应用提供了更强的支持。
一种新型电容式电导率传感器的设计
㊀２０２０年㊀第８期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．８㊀基金项目：国家自然科学基金项目（５１２０５００５）；北京市科技创新服务能力建设项目（ＰＸＭ２０１７⁃０１４２１２⁃００００１３）收稿日期：２０１９－０６－０６一种新型电容式电导率传感器的设计陈㊀旭，刘㊀瑛，徐明刚，刘㊀鹏（北方工业大学机械与材料工程学院，北京㊀１００１４４）㊀㊀摘要：为解决电导率传感器耐压能力差，难以在地下水㊁深水井㊁水库等环境下进行精确检测的问题，设计了一种新型电容式传感器㊂根据静电比拟原理，建立电导率－电容－压力－温度理论计算模型，并通过实验验证算法模型的准确性㊂实验结果表明，传感器结构耐压，可承受１．５ＭＰａ的水压，重复性误差小于１％，测量精度在ʃ１％的误差范围内，扩大了电导率传感器的量程范围和应用场合，适用于地下水㊁深水井等较大压力环境下的电导率测量㊂关键词：水压；电容法；电导率；建模；量程；精度中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０８－００１３－０５ＤｅｓｉｇｎｏｆＮｏｖｅｌＣａｐａｃｉｔｉｖｅＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＳｅｎｓｏｒＣＨＥＮＸｕ，ＬＩＵＹｉｎｇ，ＸＵＭｉｎｇ⁃ｇａｎｇ，ＬＩＵＰｅｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｓｅｎｓｏｒｈａｓｐｏｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｄｅｔｅｃｔａｃ⁃ｃｕｒａｔｅｌｙｉｎｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｄｅｅｐｗｅｌｌｓａｎｄｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｎａｌｏｇｙ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ⁃ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ⁃ｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｅｓ⁃ｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｍｏｄｅｌｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｗｉｔｈｓｔａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ１．５ＭＰａ，ｔｈｅｐｅｒｓｅｖｅｒａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１％ａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｅｒｒｏｒｒａｎｇｅｏｆʃ１％，ｗｈｉｃｈｅｎｌａｒｇｅｓｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒａｎｇｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｏｎ⁃ｄｕｃｔｉｖｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒｌａｒｇｅｐｒｅｓｓｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｕｃｈａｓｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｎｄｄｅｅｐｗｅｌｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｒａｎｇｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ０㊀引言电导率是衡量水质的一项重要技术指标，它的准确测量显得尤为重要［１］㊂电导率传感器根据测量原理与方法的不同一般可以分为电极型㊁电感型以及超声波型［２］㊂电极型电导率传感器因其响应速度快㊁精度高而得到广泛关注［３］，电感型及超声波型传感器只能对电导率较高的溶液进行测量，电极电导测量法被国内外广泛使用㊂电极法是目前对海洋等深水环境测量的主要测量方法［４－５］㊂电极型电导率传感器的测量精度受多因素的影响：电极极化［６］作用对测量精度的影响；电导电极的非纯阻性对测量的影响；被测对象的温度特性对测量的影响㊂这些因素使得电极式传感器仅适用于地表水等浅水处水质测量，传统电极式电导率传感器电极所受压强超过０．５ＭＰａ则电极极易损坏㊂根据不同的浓度值，还需更换不同的电极，限制了测量范围和使用场合㊂此外，电极式电导率传感器还存在结构工艺复杂，易污染，稳定性差，成本高等不足［７］㊂电容传感器法可直接测量土壤中传感器电极间的电容，进而根据事先标定的电容－含水率曲线获得被测土壤的含水率［８］㊂基于这一方法，本文提出了一种新型的电容式电导率传感器，该传感器采用不锈钢结构作为测量主要部件，结构耐压，通过实验验证其可承受１．５ＭＰａ及以下压强，对水压较大水体进行测量时可以保证测量精度以及测量结果的稳定性，解决了电极式电导率传感器在测量深水电导率时存在的测量精度差㊁稳定性差㊁电极易受损的问题，扩大了电导率传感器的使用范围和检测量程，提高了测量精度㊂１㊀测量原理电容法传感器的传感元件实际是由轴线中心圆柱形内金属天线作为一端极板２，外圈多金属探针构成柱状极板作为另一端极板１组成的电容器㊂其介质是流过环形空间的液体㊂液体的电导率与其所含无㊀㊀㊀㊀㊀１４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｕｇ．２０２０㊀机酸㊁碱㊁盐的量有一定的关系㊂由于不同的水体中这些离子的含量不同，电容量相应改变，通过电容量与电导率值之间的函数关系，就可以得到对应的电导率值㊂传感器的测量元件简易结构示意图如图１所示㊂中心金属天线的半径ｒ＝０．００４ｍ，高度Ｈ＝０．０６２ｍ的外圈多金属探针与中心金属天线之间以水为介质，Ｒ＝０．０１６ｍ为外圈金属探针构成的柱状环形极板内表面的半径，假设极板均匀带电量为Ｑ，ｌ＝０．００５ｍ为电介质内任一点到外圈多金属探针构成的极板的距离，也为电流通过的有效长度，如图１阴影部分所示㊂Ｄ为电位移矢量，Ｅ为电场强度，Ｕ为电势差，Ｃ为电容，则外圈多金属探针与中心金属天线部分组成的电容器的电容按照其定义为Ｃ＝ＱＵ（１）图１㊀电容电导率传感器测量元件简易结构示意图当溶液中存在外加电场时，溶液中的带电粒子在电场力作用下作定向运动，形成电流㊂电流密度ｉ和溶液中的电场强度Ｅ的比值即为溶液的电导率Ｋ［９］㊂Ｋ＝ｉＥ＝Ｉ／ＡＵ／ｌ＝ＩＵ㊃ｌＡ＝Ｊ㊃Ｇ（２）式中：Ｋ为溶液的电导率，Ｓ／ｍ；Ｉ为溶液中通过的电流，Ａ；Ａ为电流通过的有效截面积，ｍ２；Ｕ为对被测溶液施加的电压，Ｖ；Ｇ为电导，Ｓ；Ｊ为电导池常数，ｍ－１㊂根据电磁学中的静电比拟原理，当恒定电场与静电场两者边界条件相同时，电流线和电力线在场中的分布是相同的，电导Ｇ和电容Ｃ有下列关系成立［９］：ＣＧ＝εε０Ｋ（３）式中：ε为静电场中电介质的相对介电常数；ε０为真空介电常数，近似为８．８５ˑ１０－１２Ｆ／ｍ㊂由式（２）㊁式（３）可以得到电导池常数Ｊ：Ｊ＝ＫＧ＝εε０Ｃ（４）式（２）中电导计算公式：Ｇ＝ｌＡ＝ｌ２ＲＨ（５）电导率Ｋ计算公式可换算如下：Ｋ＝Ｊ㊃Ｇ＝εε０ｌ２ＲＨＣ（６）相同的被测溶液，其电导率会随着压力的增大而增大，这种影响是需要考虑的㊂参考海水电导率的温度㊁压力㊁电导率的关系［１０］：Ｒｔ＝Ｒｔ㊁ｐ１＋ｐ１００［ａ＋ｂ（１５－ｔ）＋ｃ（１５－ｔ）２］（７）式中：ａ＝０．９８４ˑ１０－３；ｂ＝０．２６９ˑ１０－４；ｃ＝０．５１０ˑ１０－６；ｔ为当前温度值；ｐ为压力升高值，ｂａｒ，１ｂａｒ＝１０５Ｐａ；Ｒｔ为１．０１３ˑ１０５Ｐａ下海水的相对电导率；Ｒｔ㊁ｐ为压力升高到ｐ时的相对电导率㊂由式（６）计算得到的电导率为温度ｔ㊁１个大气压下的相对电导率㊂当溶液所受压力上升到ｐ时，则电导率Ｋ补偿为Ｋ补＝εε０ｌ２ＲＨＣ｛１＋ｐ１００［ａ＋ｂ（１５－ｔ）＋ｃ（１５－ｔ）２］｝（８）式（８）为电导率的理论计算模型㊂液体浓度已知，电导率取决于传感器的结构参数㊁温度㊁压力和电介质的相对介电常数㊂结构参数㊁温度㊁压力值已知，通过测量信号反映出电导率的值㊂２㊀系统设计２．１㊀机械结构设计传感器的实际机械结构如图２所示㊂图２㊀传感器结构图首先将金属天线与天线座通过螺纹联接，然后将绝缘套套在天线座上，起到绝缘作用，套入主体座中㊂为了保证主体部分的密封性，将压环压入主体座中，使内部过盈配合，保证内部联接稳固且不漏水，将３个金属探针通过螺纹与主体座联接起来，套入前端压环中，起到固定探针作用，使得测得的电容值稳定㊂最后将电路板放入外筒中固定，由于主体座与探针具有导电作用，因此将电路板的地极与主体座连接，使得３㊀㊀㊀㊀㊀第８期陈旭等：一种新型电容式电导率传感器的设计１５㊀㊀个金属探针形成的圆柱状极板与电路板地极相连㊂当传感器浸入水体时，金属天线与金属探针之间的电容发生变化，变化的电容信号传入电路中，经过处理后转化为电压信号输出㊂此外，天线座㊁探针㊁中心天线㊁主体座均采用不锈钢的材质制造，在保证传感器耐腐蚀的条件下确保其结构耐压性，压环和绝缘套采用聚四氟乙烯的材质制造，在保证密封性的情况下同时保证了传感器的耐腐蚀性㊂２．２㊀硬件电路设计采集信号电路设计如图３所示，利用电容器的充放电特性，电容的定义式为Ｑ＝Ｃ㊃Ｕ（９）式中：Ｑ为电荷量，Ｃ；Ｕ为电压值，Ｖ；Ｃ为电容量，Ｆ㊂图３㊀电路设计图电源通电后，分为两路进行供电㊂一路给ＣＲＹＳＴＡＬ晶振提供＋５Ｖ电压，由晶振通过电容和电阻向中心天线Ｐ１供电与外围天线共地㊂将测得的电容值通过整流电路进行处理，得到直流稳压信号，由运算放大电路进行处理后输出测量值电压信号㊂而另外一路给温度传感器ＴＭＰ３６供电，将获得的电压信号经由运算放大电路进行处理，以便进行温度补偿，提高测量精度㊂３㊀实验与数据分析３．１㊀平台搭建由于氯化钾的电导率在不同的温度和浓度情况下非常稳定㊁准确，因此试验选用不同浓度的氯化钾溶液为标定溶液［１１］㊂用麦克林Ｐ８１６３４８的氯化钾配置１㊁０．１㊁０．０１ｍｏｌ／Ｌ的氯化钾溶液，放置在科析仪器ＤＣ－０２型的低温恒温水槽中，并用铁架台固定传感器外筒，分别恒温至１０㊁１５㊁２０㊁２５㊁３０ħ，将传感器连接到信号处理单元分别测量不同水温下的电压值㊂电压信号通过ＡＤ８２２跟随放大后，送入ＳＴＭ３２Ｆ１０３的ＡＤＣ输入端，经ＳＴＭ３２Ｆ１０３微控制器按照算法处理后，由串口输出到ＲＳ－４８５收发器完成与上位机的通信㊂信号处理单元每ｍｉｎ采集６次信号，并对采集到的测量值电压信号及温度电压信号进行均值处理㊂实验平台实物图如图４所示㊂图４㊀实验平台实物图１３．２㊀标定实验氯化钾属于强电解质，随着浓度的升高，溶液中的载流子数目增多，电导率增加㊂实验研究表明，在室温（３０ħ）测量时，电导率值随溶液浓度的增加而增加，呈很好的线性关系㊂在一定的输入电压下，液体的电导率在一定范围内与输出电压和输入电压的比值成正比关系［１２］，连续进行１个月的测试，每天连续测量１０ｈ，根据国家标准物质研究中心及中国计量研究院给出的关于氯化钾水溶液在不同温度下的电导率的标准数据［１３－１７］得到这５种温度下的参考电导率－浓度曲线，将采集到的电压信号和温度信号代入进行标定，得到５种温度下的浓度－电压－电导率模型，其中，压力升高值ｐ＝０，温度ｔ＝２５ħ下的浓度－电压－电导率模型如图５所示㊂图５㊀２５ħ下的浓度－电压－电导率模型将标定后的电容式传感器再次分别放入定温在２５ħ的１㊁０．１㊁０．０１ｍｏｌ／Ｌ的氯化钾溶液中，利用之前搭好的平台分别进行５次实验，验证理论计算模型的可靠性，测量结果见表１㊂㊀㊀㊀㊀㊀１６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｕｇ．２０２０㊀表１㊀２５ħ下在３种液体中的测量结果氯化钾溶液浓度／（ｍｏｌ㊃Ｌ－１）参数实验次数１２３４５０．０１测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１３９９１３９８１４１５１４２０１４２１测量误差／％－０．６４－０．７１０．５００．８５０．９２０．１测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７９５１２９１３１２８０３１２９０７１２７８３测量误差／％－０．４４０．４８－０．３７０．４４－０．５３１测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１１２１１７１１１８２７１１０３０２１１０８９２１１０７９２测量误差／％０．７３０．４７－０．９０－０．３７－０．４６㊀㊀注：氯化钾溶液浓度０．０１ １ｍｏｌ／Ｌ对应的电导率标准值分别为１４０８㊁１２８５１㊁１１１３０４μＳ／ｃｍ；对应的电导率重复性误差分别为０．８０％㊁０．５０％㊁０．６８％㊂通过观察表１结果，证明了本文设计的电容式电导率传感器在对０ １ｍｏｌ／Ｌ的氯化钾溶液在２５ħ环境下进行测量时，可以保证测量精度在ʃ１％之间，且重复性误差小于１％，改变了传统电极法测量需要根据水体中电导率浓度更换不同等级电极的限制，简化了测量过程，扩大了电导率的检测量程㊂３．３㊀加压实验将传感器放置在充满０．０１ｍｏｌ／Ｌ氯化钾溶液的定制密封容器中进行加压实验㊂密封容器一端与２ｍ高的３０４不锈钢加压罐相连，实验平台如图６所示㊂图６㊀实验平台实物图２从０ＭＰａ开始每次加压０．１ＭＰａ至１．５ＭＰａ，连续进行１个月的测试，每天连续测量１０ｈ，根据国家标准物质研究中心及中国计量研究院给出的关于氯化钾水溶液在不同温度下的电导率的标准数据，结合式（７）可得到加压环境下的标准电导率值㊂将采集到的电压信号代入进行标定，得到２０ħ下的压力－电压－电导率模型，如图７所示㊂图７㊀２０ħ下的压力－电压－电导率模型将传感器再次放入装有０．０１ｍｏｌ／Ｌ氯化钾溶液的密封容器中，利用之前搭好的平台分别进行５次实验，再次验证理论计算模型的可靠性㊂随后将经过校准的ＷＱ－ＣＯＮＤ电极式电导率传感器放入同等实验环境下进行加压实验，重复进行５次实验，２个传感器的测量结果分别如表２㊁表３所示㊂表２㊀电容式传感器测量结果水压／ＭＰａ参数实验次数１２３４５０．１测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２６９１２６９１２８１１２６９１２８３测量误差／％－０．３１－０．３１０．６３－０．３１０．７９０．２测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２６８１２７６１２６４１２７７１２７９测量误差／％－０．３９０．２４－０．７１０．３１０．４７０．３测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７０１２７０１２８３１２７９１２７９测量误差／％－０．２４－０．２４０．７９０．４７０．４７０．４测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２８３１２７０１２８３１２６９１２７０测量误差／％０．７９－０．２４０．７９－０．３１－０．２４０．５测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２７６１２７６１２７６１２７６测量误差／％０．１６０．１６０．１６０．１６０．１６０．６测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２７０１２７６１２７６１２７６测量误差／％０．１６－０．３１０．１６０．１６０．１６０．７测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２６９１２７６１２７６１２７６测量误差／％０．１６－０．３９０．１６０．１６０．１６０．８测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２８０１２７６１２７６１２７１测量误差／％０．１６０．４７０．１６０．１６－０．２４㊀㊀㊀㊀㊀第８期陈旭等：一种新型电容式电导率传感器的设计１７㊀㊀表２（续）水压／ＭＰａ参数实验次数１２３４５０．９测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２７６１２７６１２７６１２８０测量误差／％０．１６０．１６０．１６０．１６０．４７１．０测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２７６１２７６１２８０１２６７测量误差／％０．１６０．１６０．１６０．４７－０．５５１．１测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２７６１２７６１２８０１２８０测量误差／％０．１６０．１６０．１６０．４７０．４７１．２测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２８０１２８０１２７６１２７６测量误差／％０．１６０．４７０．４７０．１６０．１６１．３测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２７６１２７１１２７６１２７６测量误差／％０．１６０．１６－０．２４０．１６０．１６１．４测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２８２１２８０１２７１１２７１１２７６测量误差／％０．５５０．３９－０．３１－０．３１０．０８１．５测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２７６１２８０１２８０１２７６测量误差／％０．０８０．０８０．３９０．３９０．０８㊀㊀注：水压０．１ ０．４ＭＰａ对应的电导率标准值为１２７３μＳ／ｃｍ，水压０．５ １．３ＭＰａ对应的电导率标准值为１２７４μＳ／ｃｍ，水压１．４ １．５ＭＰａ对应的电导率标准值为１２７５μＳ／ｃｍ；水压０．１ １．５ＭＰａ对应的重复性误差分别为０．５６％㊁０．５１％㊁０．４６％㊁０．５７％㊁０㊁０．２１％㊁０．２５％㊁０．２５％㊁０．１４％㊁０．３８％㊁０．１７％㊁０．１７％㊁０．１８％㊁０．４０％㊁０．１７％㊂对表２㊁表３测量结果进行对比，当水压超过０．５ＭＰａ之后，电极式传感器无法进行检测，而电容式传感器在１．５ＭＰａ的水压下依然可以保证ʃ１％的测量精度，且重复性误差小于１％㊂验证了本文设计的新型电容式传感器在耐压性能上明显优于传统电极法的电导率传感器㊂４㊀结束语本文针对电导率传感器存在的耐压能力差，无法对地下水等较深处水体进行检测的问题，设计了一款新型的电容式电导率传感器㊂（１）采用新的测量原理，通过直接测量变化电容反映不同水体的电导率变化情况，同时采集温度信号与测量值电压信号，输入模型进行标定，提高了测量精度；（２）建立理论计算模型，通过实验验证模型的可靠性，保证测量结果的准确性；表３㊀电极式传感器测量结果水压／ＭＰａ参数实验次数１２３４５０．１测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２８１１２６９１２８３１２６９１２７１测量误差／％０．６３－０．３１０．７９－０．３１－０．１６０．２测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７２１２６９１２７５１２６７１２７０测量误差／％－０．０８－０．３１０．１６－０．４７－０．２４０．３测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７８１２６８１２７９１２７２１２７４测量误差／％０．３９－０．３９０．４７－０．０８０．０８０．４测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２６９１２６５１２８３１２７６１２７７测量误差／％－０．３１－０．６３０．７９０．２４０．３１０．５测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）１２７６１２６８１２７９１２６４１２８３测量误差／％０．１６－０．４７０．３９－０．７８０．７１０．６测量值／（μＳ㊃ｃｍ－１）０００００测量误差／％－１００－１００－１００－１００－１００㊀㊀注：水压０．１ ０．４ＭＰａ对应的电导率标准值为１２７３μＳ／ｃｍ，水压０．５㊁０．６ＭＰａ对应的电导率标准值为１２７４μＳ／ｃｍ；水压０．１ ０．６ＭＰａ对应的重复性误差分别为０．５４％㊁０．２４％㊁０．３５％㊁０．５６％㊁０．６２％㊁１００％㊂（３）传感器的测量部件采用不锈钢元件，结构耐压，可承受１．５ＭＰａ及以下的压强㊂不同电导率水体中测量时无需更换电极，简化测量过程㊂参考文献：［１］㊀傅卫卫，应伯根．工业水处理过程中电导率测量方法的研究［Ｊ］．浙江大学学报（自然科学版），１９９９（２）：９６－１００．［２］㊀周明军，尤佳，秦浩，等．电导率传感器发展概况［Ｊ］．传感器与微系统，２０１０，２９（４）：９－１１．［３］㊀范寒柏，胡杨，党武松．七电极电导率传感器测量电路设计与实现［Ｊ］．电子科技，２０１３，２６（１２）：７５－７７．［４］㊀孙风光，张洪泉，刘秀洁，等．四电极海水电导率传感器设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１８，３７（１２）：８６－８９．［５］㊀兰卉．七电极电导率传感器及ＣＴＤ测量系统技术研究［Ｄ］．天津：天津大学，２０１２．［６］㊀朱澄，徐方甫，车晓镭．基于ＳＴ７单片机的液体电导率传感器［Ｊ］．物理实验，２００９，２９（２）：１７－１９．［７］㊀武玉华．ＸＣＴＤ温度和电导率传感器技术研究［Ｄ］．天津：国家海洋技术中心，２００７．［８］㊀蔡坤，徐兴，俞龙，等．基于ＬＶＤＳ传输线延时检测技术的土壤含水率传感器［Ｊ］．农业机械学报，２０１６，４７（１２）：３１５－３２２．（下转第８０页）㊀㊀㊀㊀㊀８０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｕｇ２０２０㊀图１０ 速度反馈测试驱动电机，首先从系统结构设计整体的软硬件，然后设计高速光耦电路㊁ＣＡＮ通讯接口电路㊁高速输出电路等硬件，开发ＣＡＮ通讯函数㊁补偿参数计算和Ｓ曲线速度反馈的软件程序，利用抖动测试和速度反馈试验验证本系统㊂结果显示补偿后的周期性抖动小于２０μｓ，加减速的实际速度与指令保持一致，表明本系统可以提高执行电机的响应速度和精度㊂参考文献：［１］㊀涂芬芬，张霖，张志英，等．基于运动控制卡的多轴机床控制系统［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２０１２，４４（Ｓ１）：１４６－１５０．［２］㊀陈亚，史钊亮，高锦宏，等．基于ＳＴＭ３２＋ＦＰＧＡ的六自由度机器人运动控制器设计［Ｊ］．机械设计与制造，２０２０（４）：２４０－２４３．［３］㊀张艳梅，刘敏．钢框架加劲肋壁板结构的受力失稳性能研究［Ｊ］．地震工程学报，２０２０（１）：３２－３７．［４］㊀赵钢，朱奥辞，张世忠．一种改进型ＰＭＳＭ弱磁控制策略的研究［Ｊ］．电气传动，２０１９，４９（８）：１１－１６．［５］㊀侯利民，申鹤松，阎馨，等．永磁同步电机调速系统Ｈ＿ɕ鲁棒控制［Ｊ］．电工技术学报，２０１９，３４（７）：１４７８－１４８７．［６］㊀冯斌，张传伟，柴蓉霞，等．前馈控制器对伺服系统动力学特性影响研究［Ｊ］．机床与液压，２０１８，４６（２０）：１５１－１５４．［７］㊀张海洋，许海平，方程，等．基于负载转矩观测器的直驱式永磁同步电机新型速度控制器设计［Ｊ］．电工技术学报，２０１８，３３（１３）：２９２３－２９３４．［８］㊀毛诗柱，梁志坤．基于滑模控制的多电机速度同步偏差耦合控制［Ｊ］．包装工程，２０１８，３９（５）：１５３－１５７．［９］㊀周华伟，于晓东，高猛虎，等．基于不匹配干扰观测器的圆筒型永磁直线电机新型滑模速度控制［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１８，３８（７）：２１６３－２１７０；２２３１．［１０］㊀刘林，肖军，李勇，等．Ｚ⁃ｐｉｎ自动植入数控系统研制及性能研究［Ｊ］．航空制造技术，２０１２（１２）：７２－７６．［１１］㊀王邦继，刘庆想，周磊，等．ＦＰＧＡ在多轴步进电机控制器中的应用［Ｊ］．电机与控制学报，２０１２，１６（３）：７８－８２；８９．［１２］㊀史晓伦．多轴精密机械手关键技术研究［Ｊ］．控制工程，２００９，１６（Ｓ１）：１６６－１６９．作者简介：巢云（１９８０ ），硕士，实验师，研究方向为电子信息工程㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃｙｃｙ＿３１０＠１２６．ｃｏｍ马鑫金（１９４９ ），高级工程师，研究方向为电气自动化㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｍａ１００９４９＠１６３．ｃｏｍ（上接第１７页）［９］㊀宋小平．溶液电导率的绝对测量方法［Ｊ］．化学分析计量，２００４（６）：８８－８９．［１０］㊀陈国华，吴葆仁．海水电导［Ｍ］．北京：海洋出版社，１９８１：３４－４３．［１１］㊀李颖慧，李民赞，邓小蕾，等．基于无线传感器网络的温室栽培营养液电导率监测系统［Ｊ］．农业工程学报，２０１３，２９（９）：１７０－１７７．［１２］㊀陈丽梅，程敏熙，肖晓芳，等．盐溶液电导率与浓度和温度的关系测量［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１０，２９（５）：３９－４２．［１３］㊀候传嘉．氯化钾水溶液电导率的最新标准数据［Ｊ］．计量技术，１９９３（１）：２６；３３．［１４］㊀候传嘉．不同温度下氯化钾水溶液的电导率［Ｊ］．计量技术，１９８２（３）：１－４．［１５］㊀王震涛，叶泓，吴佳欢．８４μＳ㊃ｃｍ－１氯化钾电导率标准溶液的研究［Ｊ］．化学试剂，２０１３，３５（１２）：１１０５－１１０７．［１６］㊀张兆英．海水电导率㊁温度和深度测量技术探讨［Ｊ］．仪器仪表学报，２００３，２４（Ｓ２）：３８－４１．［１７］㊀李红志．高精度ＣＴＤ剖面仪电导率传感器的研究和实验［Ｊ］．海洋技术学报，２００１（１）：１４７－１５３．作者简介：陈旭（１９９５ ），硕士研究生，主要研究方向为用水计量㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：４９２９９８２２０＠ｑｑ．ｃｏｍ刘瑛（１９７０ ），副教授，硕士，主要研究方向为计算机辅助设计技术㊁先进制造技术，双语教学㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｕｙｉｎｇ＠ｎｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
一种新型电容式力矩传感器设计
和印制 电路板 （ＰＣＢ）组 成 ，机械本体 上 ２个感应 动电极与 ＰＣＢ上 ２个对应 的感应静 电极 互相垂直 ，且 为差
动式结构 。通 过电容量／数字转换器检测垂 直极 板问的 电容量 ，得到 “力矩／电容量”转换关 系。以商用 转
矩转速传感器 作为标准力矩仪对力 矩传感器进行标定 与实验验证 ，结 果表 明：差动式 电容力矩传感器具 有
２．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｎｏｖｅｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ—ｔｙｐｅ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｅｄｇｅ—ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ
ｑｕｉｃｋｌｙ ｄｅｔｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ．Ｔｈｉｓ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｏｄｙ ａｎｄ ａ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ（ＰＣＢ）．Ｔｗｏ
ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｙｎａｍ ｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｂｏｄｙ ａｒｅ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｗｏ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｔａｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｏｎ ＰＣＢ，ａｎｄ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｃａｍ ｅ ｉｎｔｏ ｂｅｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｌａｔｅｓ ａｒｅ ｍ ｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ａ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ／ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ“ｔｏｒｑｕｅ—ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ” ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａ ｃｏｍ ｍｅｒｃｉａｌ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｏｒｑｕｅ ｍ ｅｔｅｒ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｅｔｅ，ａｎｄ ｉｔｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｗｉｃｅ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｔｙｐｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｅｌｒｏｒ ｉｓ ｓｍ ａｌｌｅｒ． Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ： ｅｄｇｅ—ｅｆｆｅｃｔ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ—ｔｙｐｅ；ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ； ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ／ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒ ｔｅｒ
一种新型电容式压力传感器的研究
１ 传 感 器 的 结 构 及 工 作 原 理
由于测 压器 壳 体本 身 就是 很好 的 弹性元 件 ， 如 果 把它作 为压力 敏感 元件 ， 用测 压器 外 筒 的 内壁 和 内筒 的外壁组 成 圆筒式 电容 式压 力 传感 器 ， 用 电 利
容 变 化 来 测 量 压 力 ， 方 法 较 目前 的 测 压 器 体 积 将 该
ｓ ｎ ｉｉｅ ｃ ｍ ｐ ｎ ｎ ｏｄ ｓｇ ｏ ｅ ａ ａ ｉｉｅ ｐ ｅ ｓ ｅ ｓ ｎ ｏ ． Ｔｈ ｒ ｉ ｒｎ ｉ ｌ ｎ ｔｕ ｔ ｅ ｄ — ｅ ｓｔｖ ｏ ｏ ｅ ｔｔ ｅ ｉｎ ａ ｎ ｖ ｌｃ ｐ ｃｔｖ ｒ ｓｕｒ ｅ ｓ ｒ ｅｗｏ ｋｎｇｐ ｉ ｃｐ ｅ ａ ｄ ｓｒ ｃｕｒ ｅ ｓｇ ｆｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ｒ ｌｂ ｒ ｔ ｄ ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ，ａ ｄ ｉ ｃ ａ ｉ ａ ｒ ｐ ｒｉｓ，ｃ ｐ ｃ ｔｎ ｅ ａ ｅ ｃ ｌｕ ａｅ ｉｎ ｏ ｈ ｅ ｓ ｒ ａｅ ｅ ａ ｏ ａｅ ｎ ｔｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｐ ｏ ｅ ｔｅ ｓ ａ ａ ｉ ｃ ｒ ａｃ ｌｔ ｄ ａ ｔｏ ｅｉａ ｌ ｎ ｉ ｕ ａｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ＡＮＳ ｅ ｒｔｃ ｌ ａ ｄ ｓｍ ｌｔｄ ｂ ｓｎ ｙ ＹＳ，Ｆｉａ ｌ ｎ ｌｙ，ｔｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｖ ｌ ａ ｉｎ ｉ ａｒｅ ｕ ． Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｉ ｔ ｓｃ ｒｉｄ ｏ ｔ ｄ ｏ ｅ ｒｓ ｌｓ
２ ｅ ａ ｏａｏｙｏ ｎｔ ｍｅ ｔｔ ｎＳ ｉｎ ｅａ ｄＤｙ ａ ｃＭｅ ｓｒｍｅｔ ．Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｆＩｓ ｕ ｎａｉ ｃｅｃ ｎ ｎｍｉ ａｕｅ ｎ ，Ｎｏｔ ｉｅｓ ｙｏ ｈｎ ，Ｔ ｉｕ ｎ０ ０ ５ ，Ｓ ａｘ ，Ｃ ｉａ ｒ ｏ ｒ Ｕｎｖ ｒｉ ｆＣ ｉａ ａｙ ａ ３ ０ ｈ ｎ ｉ ｈｎ ） ｈ ｔ １
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传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣｒＵＡＴＯＲＳ
Ｖ０１．１９ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２００６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｎｏｖｅｌ ＣＭ
Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ＬｊＵＮａ，ＨＵＡＮＧＱｉｎｇ一口咒。，ＱＩＮＭｉｎｇ
表１压力敏感膜的材料参数以及尺寸参数
多晶硅（Ｐｏｌｙ） 栅氧（Ｓｉ０２） ｎ－ｗｅｌｌ Ｓｉ
杨氏模量Ｅ （ＭＰａ）
１．６×１０５ ７．５×１０４ １．９×１０５
泊松比
肛 ０．２３ ０．１７ ０．２２
热膨胀系数 ａ（×１０－６／℃）
２．５ ０．５ ２．３３
相对 介电常数
３．９
边长
厚度
（肛ｍ）
（ｐｍ）
８９０肛ｍ／８００ ｐｍ／０．３５
多层膜机械模型［４］．现将这一模型应用到本文的传
ＣＭＯＳ工艺中的多晶硅层、栅氧化层以及ｎ阱硅多 感器结构，来计算敏感膜在外加压力下的形变．将加
层膜组成，如图１所示．多晶硅层和ｎ阱硅作为电容
工单位提供的材料参数和尺寸参数（见表１）带入压
的上下极板．中间用氧化层来代替传统的真空腔或
力～挠度关系式（式２）
电容检测时，对电容充放电所需的电流增加，导致传 感器功耗增大．因此在选取传感器边长时要综合考 虑灵敏度、可靠性、面积、功耗等多方面因素．本文中 选取敏感膜的有效边长为８００ ｇ．ｍ，零压电容约为
１ １０４ ｐＦ．
置 丑 、ｏ 享 世 嚣 审 岳
图４
图５零压电容值以及电容的相对变化量随膜边长变化的曲线 １．４传感器灵敏度分析
利用ＡＮＳＹＳ有限元分析工具，对压力传感器 的敏感膜结构进行负载一形变分析，以来验证前面所 选用的模型，从而进行传感器的优化设计．同样选取 边长为８００肚ｍ的正方形膜进行分析，在有限元模 型中去除体硅部分，仅对敏感膜进行分析．边界条件 设置为周边固置．根据前面分析提出的模型，忽略热
— 应力，当外加压力在１００ ｈＰａ～１ １００ ｈＰａ范围内变
ＥＥＡＣＣ：２５７５Ｄ；２５７０Ｄ
一种新型ＣＭＯＳ电容式绝对压力传感器的设计
刘 娜，黄庆安。，秦 明
（东南大学ＭＥＭＳ教育部重点实验室，南京２１００９６）
摘 要：提出了一种新型的采用标准ＣＭＯＳ工艺结合ＭＥＭＳ后处理工艺加工的电容式绝对压力传感器．传感器结构部分是
由导体／介质层／导体组成的可变电容器．电容的上下极板分别为ＣＭＯＳ工艺中的多晶硅栅和ｎ阱硅，中间介质层为栅氧化
硅压力传感器已发展了四十多年，应用于从航 空航天到家居生活各个领域．最早出现并开始商业 化的是压阻式压力传感器，它是传感器发展和
ＭＥＭＳ技术发展的一个里程碑．具有结构简单、易 于与ＣＭＯＳ集成，处理电路简单等优点，但是受温 度影响很大．在硅压阻式压力传感器之后，又相继出
收稿日期：２００６—０７—０１ 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助课题（９０６０７００２） 作者简介：刘娜（１９８２一），女，硕士研究生，研究方向为ＣＭＯＳ－ＭＥＭＳ，ｌｉｔｔｌｅａｐｐｌｅ＿ａｎｎｉｅ＠１６３．ｃｏｍ；
黄庆安（１９６３一），男，教授、博士生导师、长江学者（通讯联系人），主要从事ＭＥＭＳ传感器研究，ｈｑａ＠ｓｅｎ．ｅｄｕ．ｃｎ； 秦明（１９６７一），男，教授，博士生导师，主要从事硅微机械传感器的研究及应用
１８６４
传感技术学报
２００６生
现了电容式压力传感器、谐振式压力传感器，热型压 空气腔．当有外部压力作用于敏感膜时，多层膜受力
模型分析了传感器的灵敏度．对于边长为８００／ｚｍ的敏感方膜，初始电容值为１ １０４ ｐＦ，传感器灵敏度为４６ ｆＦ／１１Ｐａ．同时，本文
给出了传感器的电容检测电路的设计．
关键词：ＣＭＯＳ电容式绝对压力传感器；灵敏度；电容检测电路
中图分类号：ＴＰ２１２．１２
文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—１６９９（２００６）０５一１８６３一０５
力传感器、静电力平衡压力传感器等类型．其中又以 弯曲，其厚度、面积发生变化（见图２），根据本实验
电容式压力传感器发展最为迅速，它具有高灵敏度、 室的研究和实验结果显示介质的介电常数也会发生
结构坚固、温度漂移小、加工工艺较简单等特点［１。３］．
改变‘５｜，这三种因素导致敏感电容的变化．
同时，微电子技术与微加工技术的发展，使得传
化时，对敏感膜进行分析和计算．并将有限元分析结 果与模型计算进行了对比．如图３所示，误差在５％ 以内，可见所选模型适用于本文中的结构．
＿－】
＿●＿＿
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ＩＪＩ＇ＣＳ￥１１１＿ｅ／ａｉｍ
图３多层膜ｐｏｌｙ／Ｓｉ０２／ｎ－ｗｅｌｌ Ｓｉ的有限元分析与模型的比较 压力变化范围为１００～１ １００ ｈＰａ，膜中心最大变形为３．２ ～９．０￡￡ｍ １．３传感器优化设计
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ＭＥＭＳ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｍ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｓｔ ＣＭＯＳ ＭＥＭＳ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｐａｒｔ ｉｓ ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｗｉｔｈ ａ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ／ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ １ａｙｅｒｓ ａｒｅ ｐｏｌｙ－ｇａｔｅ ａｎｄ ｎ－ｗｅｌｌ Ｓｉ ｉｎ ｔｈｅ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｌａｙｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｇａｔｅ Ｓｉ０２．Ａｆｔｅｒ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｔｃｈｉｎｇ ｂｕｌｋ ｓｉｌｉｃｏｎ，ＰＮ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｓｅｌｆ ｅｔｃｈ—ｓｔｏｐ，ａｎｄ ａｎｏｄｉｃ ｂｏｎｄ— ｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎ— ｓｏｒ，ｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｌａｒｇｅｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｗｈｉｃｈ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃａ ｃｉｒ— ｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｃｈａｎｇｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅ— ｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ８００肛ｍ×８００ ｐｍ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ４６ ｆＦ／ｈＰａ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｉｓ １ １０４ ｐＦ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｅ— ｓｉｇｎｅｄ ｔＯ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
１ ４００ ｇｉｎ（有效边长０．０２
为８００哪）
５
一，学薹邕＋ｃｚ学薹岛＋ 第５期
刘 娜，黄庆安等：一种新型ＣＭＯＳ电容式绝对压力传感器的设计
１８６５
”和书ｃ。帮秘翱一誉帚赣㈤ 选ａ４［ｎ交ｉ＝１耳Ｅｉｈｉｉ＋Ｃ４·厂·奎ｉ＝１型号掣＋Ｃ５·尸·奎ｉ＝１ ｉＥｉｈｉ］
式中，Ｅｔ、ｈｉ、／１ｉ分别为第ｉ层材料的杨氏模量、 厚度以及泊松比；ａ压力敏感膜的边长．口Ｔ为多层膜 等效热膨胀系数．式中的参数：Ｃ１反应了热应力对 膜中心最大挠度妣的影响，Ｃ２表示大形变情况下， 压力与中心挠度锄的线性函数关系，Ｃ。、Ｃ４、ｃ５为 非线性系数．厂是与材料参数相关的系数． １．２有限元模拟
积会直接损坏传感器结构或者破坏传感器结构的材
料性能．
基于加工简单、提高灵敏度等因素的考虑，本文 提出了一种新型的采用ＣＭＯＳ工艺结合ＭＥＭＳ后
（ｂ）在实际平板固体电容中的应用，厚Ｅｌ。ｃ仃ｏｄ。８ 度变化为△ｄ，极板发生弯曲，面积改变
处理工艺加工的电容式绝对压力传感器．传感器的 压力敏感膜由ＣＭＯＳ工艺中的多晶硅、栅氧化层以 及ｎ阱硅组成．在电路加工完成后采用体硅腐蚀、 ＰＮ结自停止腐蚀等工艺来释放传感器结构．文中
图１ 电容式压力传感器的剖面图
感器［２］，这种方法打断ＣＭＯＳ工艺，没有实现真正
意义上的集成；另一种是基于溶硅工艺的集成压力
传感器［３］，先在硅片上腐蚀出一些深度不一的坑，分
别定义出电路和传感器部分；然后进行电路加工；最 后通过后处理工艺释放传感器结构．它的缺点是工
ｆａ）三维坐标显示
艺复杂，后续电路工艺中的高温条件以及材料的淀
感器和传感器接口电路实现系统集成成为可能．将 传感器结构和ＩＣ集成在同一芯片上已经成为智能
微型传感器设计和加工的一个显著趋势，实现传感
器微系统集成的优点在于传感器小型化、系统性能
提高以及依赖ＩＣ的标准加工能力，实现传感器大批
量低成本的加工．目前将压力传感器结构与ＩＣ加工
集成的方法主要有两种，一种是采用表面微机械加 工，利用牺牲层释放和材料淀积密封来得到压力传