MEMS數字壓力傳感器的設計

高志勇，石 雄

(武漢工業學院電氣與電子工程學院，湖北武漢430023)

現代科技領域中，傳感器技術的地位越來越重要，發展日益迅速。在眾多傳感器中，壓力傳感器是廣泛應用的一種，其按原理可分為應變壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器和陶瓷壓力傳感器;按輸出方式可分為模擬輸出和數字輸出。模擬輸出容易實現，但在傳輸過程中容易受到外界和通信系統內部各種噪聲干擾，抗干擾能力低。數字輸出的壓力傳感器通常是在模擬傳感器的基礎上增加A/D轉換器和MCU(Micro Controller Unit)。將模擬信號經A/D轉換送入MCU，經過處理后，就可以以數字的方式向外傳送數據。

本方案將內置A/D轉換器、數字收發接口的MCU以及擴散硅壓力敏感芯片、驅動放大電路集成在一塊電路板上，然后采用MEMS系統級封裝工藝將整塊印制電路板封裝在一個金屬殼體中，形成完整的數字壓力傳感器［1］。

1 擴散硅壓力傳感器及其封裝

擴散硅壓力傳感器采用集成工藝技術，經過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應變電阻，構成惠斯通電路［2］。擴散硅壓力傳感器工藝原理如圖1所示。

圖1 擴散硅壓力傳感器原理

壓力傳感器可以采用恒壓源或恒流源，但采用恒壓源，則存在環境溫度影響而不能消除的問題。具體分析如下：在這里比較輸出電壓，測試電路為全臂橋電路，設

ΔR，當有應力時，電阻阻值的變化量;

ΔRT，受溫度影響，電阻阻值的變化量。

恒壓源時，

輸出與溫度有關且為非線性關系;

恒流源時，

輸出與溫度無關［3］。所以本系統采用恒流源。

擴散硅壓力敏感芯片加上配套的放大電路并不能組成完整的壓力傳感器，還需要合適的封裝。本設計采用系統級封裝技術，將設計的集成電路板植入氣密充油的不銹鋼外殼中，體積比傳統封裝工藝小。植入陶瓷填充片，陶瓷填充片可有效減少硅油填充量。硅油采用真空灌充技術，可消除殘余氣體對隔離測壓系統的影響，提高傳感器的精度和穩定性，系統級封裝結構如圖2所示［1］。

圖2 系統級封裝的壓力傳感器結構

2 總體設計

壓力傳感器多在惡劣的環境下工作，對其抗干擾能力、穩定性和可靠性都有很高的要求。例如某種應用場合工作溫度范圍要在-40℃至+125℃之間，因此在選擇驅動放大器和MCU時都必須滿足這一要求。壓力敏感芯片、驅動放大電路、MCU各參數都要認證清楚。既要滿足其苛刻的要求，又要保證其高性能。從而根據實際需求推廣應用。

2.1 AM417的主要功能特點

AM417是一個低成本的比例電壓放大器，專為電橋輸入信號而設計。集成電路包含一個用來激勵傳感器的電流源，一個針對不同輸入信號的高精度放大器，和一個電壓輸出級。增益、補償和電壓輸出級通過外部電阻調節。電壓輸出級被設計成集電極開路。輸出電流為10 mA。通過增加額外的電阻可以簡單的限制電流的大小。AM417的模塊功能、調節參數可校準傳感器、小尺寸封裝和低成本的優點非常適合汽車傳感器應用。AM417的芯片結構如圖3所示。

圖3 AM417的芯片結構

AM417包含3個基本的功能模塊：

1)激勵傳感器的穩定電流源

電流IIB通過電阻R1的阻值變化來調節：

2)輸入級儀表放大器為橋式輸入信號前置放大提供固定增益GIA=10.

3)集電極開路輸出級

輸出電壓：作為輸出電壓放大器，有一個外部PNP集電極開路T1，能輸出最大電流IOUT=5 mA。輸出增益GOUT通過外部電阻R3和R4調節，GOUT=2，3，…，11：

整個系統的增益為G=GIA·GOUT.

2.2 C8051F520A的主要功能特點

C8051F520A器件是完全集成的極低功耗混合信號片上系統型的微控制器，其主要特性如下。

1)高速、流水線結構的與8051兼容的微控制器，處理速度可達25 MIPS;

2)全速、非侵入式的在系統調試接口;

3)真12位、200 ksps ADC，最多16路模擬輸入，帶模擬多路器;

4)高精度可編程的24.5 MHz內部振蕩器，在整個電壓和溫度范圍內精度為±5%;

5)達7680字節的片內FLASH存儲器;

6)256字節片內RAM;

7)硬件實現的增強型UART和SPI串行接口;

8)LIN2.0外設(兼容V2.0和V1.3，主方式和從方式);

9)3個通用的16位定時器;

10)具有3個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列(PCA);

11)片內上電復位、VDD監視器和溫度傳感器;

12)片內電壓比較器;

13)6個端口I/O;

C8051F520A的結構如圖4所示。

圖4 C8051F520A結構圖

具有片內上電復位、VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F520A器件是真正能獨立工作的片上系統。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節省功耗。

片內Silicon Labs二線(C2)開發接口允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式(不占用系統資源)、全速、在系統調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統編程和調試功能不占用封裝引腳。

2.3 硬件設計

MEMS數字壓力傳感器原理框圖如圖5所示。

圖5 數字壓力傳感器原理框圖

總體來說，數字壓力傳感器的組成分為三部分：壓力敏感芯片、驅動放大電路和單片機。驅動放大電路包括信號放大電路和穩定電流源，本設計采用的驅動放大器是集成的差壓放大芯片AM417，它除了電壓放大作用外，還為壓力傳感器提供穩定的1mA電流，放大倍數可以通過集成芯片的外圍電路設置。壓力傳感器和驅動放大電路這兩個部分可以組成輸出模擬信號的傳統壓力傳感器。將輸出的模擬信號經過單片機的A/D轉換，轉換成數字信號，最后通過通信接口輸出，這樣就形成了數字壓力傳感器。

數字壓力傳感器的結構分為3部分，分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 硬件電路1

圖7 硬件電路2

圖8 復位電路及接口

擴散硅壓力敏感芯片ATP100的4、5引腳外串接100 Ω的固定電阻和500 Ω的可變電阻，調節可變電阻，以改善壓力傳感器的零點漂移。ATP100的1、2引腳輸出電壓變化信號到驅動放大芯片AM417，通過AM417的外置電阻和可以調節放大倍數，在本設計中放大倍數為40倍，其中前置放大器GIA=10，后置放大電路增益為則總增益為：G=GIA·GOUT.

輸入電壓VIN=100 mV.

輸出電壓VOUT=0.5-4.5 V.

輸出電流IOUT=10 mA.

單片機C8051F520A通過P0.2接受放大的電壓信號，通過C2接口下載程序，通過P0.4、P0.5的串行口發送數據。

2.4 數字輸出

MEMS數字壓力傳感器的數字輸出采用現場總線技術?，F場總線包含兩種總線：LIN總線和CAN總線。LIN(Local Interconnect Network)總線是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN的目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能。CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。LIN的主要特性是其低成本，基于通用UART接口，幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件;極少的信號線即可實現國際標準ISO9141規定;傳輸速率最高可達20 kbit/s;單主控器/多從設備模式，無需仲裁機制;從節點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現自同步，節省了從設備的硬件成本;保證信號傳輸的延遲時間;不需要改變LIN從節點的硬件和軟件就可以在網絡上增加節點;通常一個LIN網絡上節點數目小于12個，共有64個標志符。

CAN總線最早是由德國BOSCH公司為解決現代汽車中的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種數據通信協議，按照ISO有關標準，CAN的拓撲結構為總線式，因此也稱為CAN總線。CAN協議中每一幀的數據量都不超過8個字節，以短幀多發的方式實現數據的高實時性;CAN總線的糾錯能力非常強，從而提高數據的準確性;同時CAN總線的速率可達到1Mbit/s，是一個真正的高速網絡?？傊?，將CAN總線應用在汽車中使用有如下優點。

1)用低成本的雙絞線電纜代替了車身內昂貴的導線，并大幅度減少了用線數量;提高可靠性，安全性、降低成本。

2)具有快速響應時間和高可靠性，并適合對實時性要求較高的應用如剎車裝置和氣囊;控制平臺、信息平臺、駕駛平臺的互連基礎。

3)CAN芯片可以抗高溫和高噪聲，并且具有較低的價格，開放的工業標準。

在現代轎車的設計中，CAN已經成為必須采用的裝置，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯網的手段［4］。

3 測試結果

本設計試制了一小批壓力傳感器樣品，如圖9所示。

圖9 數字壓力傳感器

常溫下，加壓測試壓力傳感器的模擬輸出，取樣品1—3的輸出結果如圖10所示。通過對三個樣品的比較，可以看到三個壓力傳感器輸出信號隨壓力變化的趨勢基本一致。

圖10 壓力傳感器輸出特性

樣品1—3的模擬輸出經單片機的A/D轉換，數字輸出結果為12位16進制，如表1所示。

表1 樣品1—3數字輸出結果

4 結束語

作為傳感器技術應用中最主要的產品，壓力傳感器尤其是數字壓力傳感器有著廣闊的應用前景。MEMS數字壓力傳感器與傳統的壓力傳感器相比，其體積、抗震性及可靠性等方面表現出明顯的優勢。壓力傳感器是汽車電子中最主要的產品，經過適當的改進，MEMS數字壓力傳感器完全可以應用汽車，其數字輸出方式可以通過CAN總線或LIN總線加入車載網絡。

［1］ 石雄，劉婭，李捷，等.基于系統級封裝技術的車用壓力傳感器［J］.儀器儀表學報，2008(4)：643-646.

［2］ 關榮峰.MEMS機油壓力傳感器可靠性研究［J］.微納電子技術，2007(7)：176-178.

［3］ 種傳波，基于MEMS技術的壓力傳感器研究［D］.北京：北京工業大學，2008：66-68.

［4］ 劉曉明，高青春，熊東.基于CAN/LIN總線的汽車通信網絡設計［J］.微機發展，2005(8)，78-84.