压力传感器调理电路的设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
天 津 大 学
毕业设计（论文）
题目：压力传感器信号调理电路的设计
学 院电气与自动化工程学院
专 业电气自动化技术
学生姓名汪文腾
学生学号4009203024
指导教师陈曦
提交日期2012年 6月 2日
摘要
随着微电子工业的迅速发展，压力传感器广泛的应用于我们的日常生活中，为了使同学们对压力传感器有较深入的理解。经过综合的解析选择了由实际中的应用作为研究项目，本文通过介绍一种基于压力传感器实现的实际电路搭建的设计方法,该控制器以压力传感器为核心，通过具备运放来实现放大电路等功能。
图1—1 MEMS 工艺流程
1。
压力变送器在测试的时候也有很多的因素影响，首先是被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元件（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧.压力变送器是由测量膜片和两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成和压力成正比的信号。［11］
压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英，酒石酸钾钠和硝酸二氢铵.其中石英(二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点"）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源。后者是传感器自身产生电荷，不需要外加电源,根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器.[1］
压力传感压器是使用最为广泛的一种传感器.传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。
另外，使用运放的压力传感器再实际电路搭建中被广泛应用。通过对模型的设计可以非常好的延伸到具体的应用案例中。
关键词：压力传感器；运放；电路；
第一章
传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置.传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源。
1。2.1
随着我国国民经济的快速发展，压力传感器成为工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器最主要的是利用压力效应制造而成的，这样的传感器也成为压力传感器。
科学家根据晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应；而当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。这个效应研制出了压力传感器.
制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应.
压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。根据晶体不受定向应力时，电导率是同性的，只有受定向应力时才表现出各向异性，由于应力能引起能带的变化,能谷能量移动，导致电阻率的变化，于是就有电阻的变化，从而产生压阻效应.单晶硅效应包括n型和p型硅压阻效应.选用扩散硅目的在于在设计制造压力传感器时可根据不同温度下硅扩散层的压阻特性选择合适的扩散条件，力求使压力传感器具有良好的性能。多晶硅在传感器中有广泛的用途，可作为微结构和填充材料、敏感材料.
硅电容式压力传感器的敏感元件是半导体薄膜,它可以由单晶硅、多晶硅等利用半导体工艺制作而成。典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形,因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此,要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。由于高温压力传感器工作在高温环境下,补偿电路会受到环境温度的影响，从而产生较大的误差。基于模型识别的高温压力传感器，正是为了避免补偿电路在高温环境下工作产生较大误差而设计的，其设计方案是把传感器件与放大电路分离，通过模型识别来得到所测环境的压力。高温工作区温度可达350℃。传感器件由铂电阻和电容式压力传感器构成。其MEMS工艺如下：
高温压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成。其中下电极位于厚支撑的衬底上。电极上蒸镀一层绝缘层.硅膜片则是利用各向异性腐蚀技术,在一片硅片上从正反面腐蚀形成的。上下电极的间隙由硅片的腐蚀深度决定。硅膜片和衬底利用键合技术键合在一起，形成具有一定稳定性的硅膜片电容压力传感器［2］。由于铂电阻耐高温，且对温度敏感，选用铂电阻，既可以当普通电阻使用，又可以作为温度传感器用以探测被测环境的温度.金属铂电阻和硅膜片的参数为：0℃时铂电阻值为1 000Ω;电阻率为1. 052 631 6×10—5Ω·cm；密度为21 440 kg/ m3 ;比热为132。51 J/ (kg·K)、熔断温度为1 769℃，故铂电阻可加工为宽度为0. 02 mm;厚度为0. 2μm;总长度为3 800μm,制作成锯齿状，可在幅值为10 V的阶跃信号下正常工作。电容式压力传感器的上下电极的间隙为3μBiblioteka Baidu、圆形平板电容上下电极的半径为73μm、其电容值为50 pF。具体工艺流程图如图1所示。［2]
高温压力传感器是为了解决在高温环境下对各种气体、液体的压力进行测量。主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、井下压力和各种发动机腔体内的压力、高温油品液位与检测、油井测压等领域。目前，研究比较多的高温压力传感器主要有SOS，SOI，SiO2，Poly2Si等半导体传感器，还有溅射合金薄膜高温压力传感器、高温光纤压力传感器和高温电容式压力传感器等。半导体电容式压力传感器相比压阻式压力传感器其灵敏度高、温度稳定性好、功耗小，且只对压力敏感，对应力不敏感,因此，电容式压力传感器在许多领域得到广泛应用。
毕业设计（论文）
题目：压力传感器信号调理电路的设计
学 院电气与自动化工程学院
专 业电气自动化技术
学生姓名汪文腾
学生学号4009203024
指导教师陈曦
提交日期2012年 6月 2日
摘要
随着微电子工业的迅速发展，压力传感器广泛的应用于我们的日常生活中，为了使同学们对压力传感器有较深入的理解。经过综合的解析选择了由实际中的应用作为研究项目，本文通过介绍一种基于压力传感器实现的实际电路搭建的设计方法,该控制器以压力传感器为核心，通过具备运放来实现放大电路等功能。
图1—1 MEMS 工艺流程
1。
压力变送器在测试的时候也有很多的因素影响，首先是被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元件（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧.压力变送器是由测量膜片和两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成和压力成正比的信号。［11］
压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英，酒石酸钾钠和硝酸二氢铵.其中石英(二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点"）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源。后者是传感器自身产生电荷，不需要外加电源,根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器.[1］
压力传感压器是使用最为广泛的一种传感器.传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。
另外，使用运放的压力传感器再实际电路搭建中被广泛应用。通过对模型的设计可以非常好的延伸到具体的应用案例中。
关键词：压力传感器；运放；电路；
第一章
传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置.传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源。
1。2.1
随着我国国民经济的快速发展，压力传感器成为工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器最主要的是利用压力效应制造而成的，这样的传感器也成为压力传感器。
科学家根据晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应；而当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。这个效应研制出了压力传感器.
制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应.
压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。根据晶体不受定向应力时，电导率是同性的，只有受定向应力时才表现出各向异性，由于应力能引起能带的变化,能谷能量移动，导致电阻率的变化，于是就有电阻的变化，从而产生压阻效应.单晶硅效应包括n型和p型硅压阻效应.选用扩散硅目的在于在设计制造压力传感器时可根据不同温度下硅扩散层的压阻特性选择合适的扩散条件，力求使压力传感器具有良好的性能。多晶硅在传感器中有广泛的用途，可作为微结构和填充材料、敏感材料.
硅电容式压力传感器的敏感元件是半导体薄膜,它可以由单晶硅、多晶硅等利用半导体工艺制作而成。典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形,因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此,要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。由于高温压力传感器工作在高温环境下,补偿电路会受到环境温度的影响，从而产生较大的误差。基于模型识别的高温压力传感器，正是为了避免补偿电路在高温环境下工作产生较大误差而设计的，其设计方案是把传感器件与放大电路分离，通过模型识别来得到所测环境的压力。高温工作区温度可达350℃。传感器件由铂电阻和电容式压力传感器构成。其MEMS工艺如下：
高温压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成。其中下电极位于厚支撑的衬底上。电极上蒸镀一层绝缘层.硅膜片则是利用各向异性腐蚀技术,在一片硅片上从正反面腐蚀形成的。上下电极的间隙由硅片的腐蚀深度决定。硅膜片和衬底利用键合技术键合在一起，形成具有一定稳定性的硅膜片电容压力传感器［2］。由于铂电阻耐高温，且对温度敏感，选用铂电阻，既可以当普通电阻使用，又可以作为温度传感器用以探测被测环境的温度.金属铂电阻和硅膜片的参数为：0℃时铂电阻值为1 000Ω;电阻率为1. 052 631 6×10—5Ω·cm；密度为21 440 kg/ m3 ;比热为132。51 J/ (kg·K)、熔断温度为1 769℃，故铂电阻可加工为宽度为0. 02 mm;厚度为0. 2μm;总长度为3 800μm,制作成锯齿状，可在幅值为10 V的阶跃信号下正常工作。电容式压力传感器的上下电极的间隙为3μBiblioteka Baidu、圆形平板电容上下电极的半径为73μm、其电容值为50 pF。具体工艺流程图如图1所示。［2]
高温压力传感器是为了解决在高温环境下对各种气体、液体的压力进行测量。主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、井下压力和各种发动机腔体内的压力、高温油品液位与检测、油井测压等领域。目前，研究比较多的高温压力传感器主要有SOS，SOI，SiO2，Poly2Si等半导体传感器，还有溅射合金薄膜高温压力传感器、高温光纤压力传感器和高温电容式压力传感器等。半导体电容式压力传感器相比压阻式压力传感器其灵敏度高、温度稳定性好、功耗小，且只对压力敏感，对应力不敏感,因此，电容式压力传感器在许多领域得到广泛应用。