集成ASIC 补偿电路的高温动态MEMS 压力传感器

胡英杰 王伟忠 杨拥军 卞玉民 李旭浩 王 晗

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050299；2.河北美泰电子科技有限公司，石家庄 050299）

传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱。微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术是微机械和微电子技术的融合，该技术的发展和进步为智能型高端传感器的研发提供了前提和保障。基于硅材料的MEMS 压力传感器是应用较广泛的MEMS 传感器[1]。美国Kulite 公司在压力传感器开发方面处于世界领先地位，研发的基于硅压阻效应的ETL-GTS 系列压力传感器产品，工作温度为-55 ～500 ℃，准确度为0.5%FSO，压力量程覆盖范围较宽（35 kPa ～7 MPa），已成功用于压气机内部压力和燃气轮机燃烧室压力的监测[2]。该传感器芯片基于压阻效应，敏感结构为单岛膜结构，并采用无引线封装的方式实现压力芯片的封装。国内很多高校及研究机构也在开展压力传感器的研究工作。中北大学针对压阻式高温压力传感器的温度补偿需求进行了信号调理设计与测试，采用高温信号调理电路提高传感器的输出灵敏度，通过温度补偿降低输出灵敏度[3]。西安交通大学提出了一种新型凸起隔膜结合半岛-岛结构，使得膜片在应力集中区域外消散的应变能量显著降低[4]。中国电子科技集团公司第十三研究所自主开发了基于倒装焊技术的FC 系列平膜压力芯片，实现了量程0 ～42 MPa 压力传感器的开发应用[5]，性能达到了国际先进水平。

压阻式压力传感器广泛应用于流程工业、装备工业、航空航天等重大领域，但是存在灵敏度和零点输出对温度变化较敏感的问题。灵敏度和零点漂移问题的产生原因：一是环境温度改变对压阻效应的影响；二是传感器持续工作在密封环境中时产生的焦耳热对输出的影响；三是由材料热膨胀系数不同导致的封装热应力对传感器输出的影响。因此，压阻式压力传感器一般需要通过温度补偿手段提升传感器的应用性能[6]。

1 压力敏感芯片结构

针对高温高动态的工业应用环境，基于绝缘体上硅（Silicon On Insulator，SOI）材料和倒装焊技术设计压力敏感芯片，如图1 所示。压力敏感芯片主要分为应力敏感单元（分界线下方）和支撑单元（分界线上方）两部分。利用低温硅-硅键合技术和高精度磨抛技术，采用SOI 硅片与普通单晶硅片开发的多层SOI 硅片材料实现传感器应力敏感单元的制作。利用多层SOI 硅片电阻器件层加工P 型硅压敏电阻，将压敏电阻与压力敏感膜硅层之间的SiO2作为介质隔离层，达到耐高温的目的[7]。利用干法刻蚀技术在多层SOI 材料硅衬底层加工硅槽，释放压力敏感膜。采用Ti、TiN、Pt、Au 加工耐高温金属布线并组成惠斯通电桥，从而将被测压力引起的应力变化转换成电压输出。

图1 压力敏感芯片结构剖面图

在压力敏感芯片的加工中，采用硅通孔（Through Silicon Via，TSV）金属布线技术实现芯片双层电路连接，并采用可以长期耐受500 ℃高温的低温硅-硅直接键合技术实现支撑单元与敏感膜单元的圆片级封装，同时在敏感单元电阻面与支撑单元硅槽面形成压力参考真空腔体，对电阻进行真空密封保护。

2 压力传感器的封装

压力传感器的芯片封装采用倒装焊方式，将芯片底部焊盘通过导电玻璃焊接到陶瓷电路板（见图2），并通过金属防护网保护芯片。芯片表面有二氧化硅绝缘层。芯片与防护网可以非常接近，基本不存在管腔效应，使得传感器与传感器芯片的固有频率基本一致，从而达到提升传感器动态特性的目的。

图2 压力传感器结构爆炸视图

传感器封装结构金属保护网、金属壳体采用热膨胀系数与硅相近的可伐合金加工。陶瓷基座采用莫来石陶瓷，其与硅的热膨胀系数极为相近。

封装时，采用倒装焊工艺实现压力芯片、温度探头与陶瓷电路板的固定与连接。先将芯片焊盘、电路板焊盘及焊膏常温下定位，然后通过阶梯高温熔融焊膏，冷却后通过焊膏张力完成倒装焊，最后点硅凝胶进行保护，提升传感器的防水性和可靠性。陶瓷基板下部有金属引脚用于和后端电路实现电连接。后端电路集成有用于温度补偿的专用集成电路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）芯片，能够显著减小补偿电路的体积。通过高强度低应力密封胶将陶瓷基座与金属壳体黏在一起，针对不同量程进行密封试验，实现3 倍以上量程的密封耐受强度。最后，通过激光焊实现金属防护网、金属壳体等的连接，保证传感器的密封性和结构强度。

3 ASIC 温度补偿电路

压阻系数和压敏电阻值随温度变化，因此基于硅压阻效应的压力敏感芯片的零点与灵敏度随温度变化有较大的漂移。在-55 ～225 ℃，压敏电阻的压阻系数随着温度的上升而下降，即传感器的满量程输出随着温度的上升逐渐下降，需要进行温度补偿。

针对压力传感器的精度需求，设计了桥阻式专用集成电路芯片进行温度补偿。桥阻式专用集成电路芯片是高精度桥式变送器信号处理的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）集成电路，工作原理如图3 所示。该ASIC 芯片包含1 个16 级可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）、1 个可编程变送器激励、1 个内部带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、4 个16 位模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和1 个通用放大器。选用合适的算法，可实现每1.5 ℃的跨度补偿，最多可进行110 个温度点的补偿。温度补偿系数可通过补偿算法获得，保存到EEPROM 即可进行温度补偿。压力传感器工作在+8 V电压下，功耗电流不大于2 mA。电路中使用温漂系数为±2.5×10-5的精密电阻，保证电路在使用温度范围内的精度。传感器的零点和满量程可通过片内的数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）进行数字修正。

图3 桥阻式专用集成电路芯片工作原理

4 压力传感器性能测试

该压力传感器采用全自动压力测试系统进行测试。该系统由直流稳压电源、压力控制器、温度控制箱以及数字采集仪组成。输入从6 kPa 增加到700 kPa，每隔100 kPa 选取输出结果。实验结果表明，该压力传感器具有良好的线性输出，如图4 所示。传感器非线性度为0.165%，工作环境温度能够达到200 ℃。

图4 传感器输出特性曲线

通过测试系统的温箱进行压力传感器的零点输出测试，测试结果如图5 所示。可以看出，ASIC 电路接入前，随着温度从-20 ℃升到80 ℃，压力传感器零位输出电压从9.97 mV 增加到22.40 mV，变化量为12.43 mV。ASIC 电路接入后，随着温度的变化，传感器零位输出从9.92 mV 增加到10.19 mV，变化量仅为0.27 mV，补偿效果显著。

图5 传感器零点温度特性曲线

该MEMS 压力传感器采用激波管进行动态性能测试实验，结果如图6 所示。实验结果表明，传感器的输出响应时间达到10 μs，具有良好的动态特性。

图6 激波管实验结果的时域输出

5 结语

利用低温硅-硅键合技术，采用自主开发的多层SOI 材料制备的MEMS 压力传感器敏感芯片，具有耐高温工作的特点。采用倒装焊的无引线封装形式，无须充油封装，显著缩短了输出响应时间，且避免了传统封装中因金丝键合产生的脱焊失效风险。此外，研究完成了用于MEMS 压阻式压力传感器的ASIC 专用电路设计和功能验证，将ASIC 电路集成于压力传感器内部，主要对传感器进行信号放大、调理及温度补偿，并进行数字化输出，有效缩小了传感器的系统体积，提升了其整体性能。