氣壓傳感器電路設計論文

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1壓阻式氣壓傳感器

1．1氣壓傳感器的結構設計

壓阻效應于1865年由LordKelvin首先發現，現在這個原理廣泛應用于傳感器原理中。當傳感器薄膜結構上的壓敏電阻受到外界壓力作用時會產生形變，使電阻率發生變化從而引起電信號的改變，這就是壓阻式壓力傳感器的工作原理。由此可見，壓敏電阻的變化與受到的壓力大小和壓阻系數有關。本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應設計的，制備的氣壓傳感器芯片結構截面圖。傳感器結構由一個單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個壓敏電阻組成，4個電阻形成了惠斯通電橋結構，當有氣壓作用在彈性膜上時電橋會產生一個與所施加壓力成線性比例關系的電壓輸出信號。

1．2氣壓傳感器制作工藝流程

整個流程主要是采用硅表面微加工工藝。與傳統的壓阻式壓力傳感器的加工方法相比，該工藝流程采用了外延單晶硅硅膜的工藝進行真空腔密封，這種方法可以克服傳統的濕法刻蝕工藝的缺點，加工出的單晶硅膜具有很好的機械性能。①首先，對硅襯底采用各向異性干法刻蝕，刻蝕出一道道約5μm深的淺槽。然后采用各向同性干法刻蝕，使淺槽下方形成一個連通的腔。②采用外延工藝，在襯底上進行單晶硅外延，并利用外延的硅材料將淺槽完全封住，從而在下面形成一個接近真空的密封腔。外延工藝如下:溫度為1135℃，采用的是H2，PH3等氣體，外延時的真空度為80torr。③在對外延硅層的局部區域進行小劑量硼離子注入。該部工藝主要是為了制作壓敏電阻，壓敏電阻主要位于膜四邊的中央。④對局部區域進行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實現壓敏電阻條之間的歐姆連接，并為壓敏電阻的引出做準備。⑤在硅片表面生長一層氧化層及氮化層，用作絕緣介質層。⑥對氧化層和氮化層光刻并圖形化，形成接觸孔。⑦濺射金屬層并光刻圖形化，形成引線及壓焊塊。

2測試電路設計

此壓阻式氣壓傳感器，壓敏電阻初始電阻值為163Ω，滿量程輸出電阻變化最大為9Ω，針對此微小阻值變化量，本文中設計了一款專用接口測試電路。該測試電路主要包括STM32系列單片機及ADS1247模/數轉換模塊和液晶顯示模塊。電路應用時將惠斯通電橋輸出節點與測試電路連接起來，通過硬件和軟件的結合實現外界氣壓信號的檢測并轉化為數字電信號進行輸出，讀數在LCD顯示屏上進行顯示，測試電路板的說明如圖4所示，針對部分重要模塊的電路設計在下文說明。

2．1電源電路設計

測試系統中需要用到3．3V和5V兩種電壓(選用的STM32單片機規定工作電壓為2．0V～3．6V，ADS1247數/模轉換模塊模擬電源部分供電電壓為5V)，根據測試電路元件的需求，采用國產LM2940－5和LM1117－3．3兩個穩壓模塊來進行電源供電的設計。

2．2ADS1247模/數轉換電路設計

ADS1247是TI公司推出的一種高性能、高精度的24位模擬數字轉換器。ADS1247單片集成一個單周期低通數字濾波器和一個內部時鐘、一個精密(ΔΣ)ADC與一個單周期低通數字濾波器和一個內部時鐘。內置10mA低漂移電源參考和兩個可編程電流型數字模擬轉換器(DAC)。通過程序設置，在輸出電壓裕度內，DACS可為外部提供多種強度的電流，分別為50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外，ADS1247還具有一個可編程放大器(PGA)，放大倍數可設置為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

3氣壓傳感器性能測試分析

氣壓傳感器作為一種高空探測的工具，它的性能好壞直接影響到高空探測的準確性，針對本傳感器結構進行測試并從數據中對氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測試精度進行了分析及擬合修正。

4結束與討論

①本文針對一種壓阻型氣壓傳感器，設計了專用型壓阻式氣壓傳感器輸出信號檢測電路，實現了微小電阻變化量的檢測。②對傳感器進行測試，并對數據進行了詳細的分析和擬合修正，實現全量程范圍內誤差不超過2．6hPa，完成傳感器的性能測試與標定。③通過軟硬件結合進行數模轉換，實現傳感器的數字輸出，完成傳感器的接口電路設計。

作者:秦曉霞高艷余輝洋聶萌單位:東南大學電子科學與工程學院