热激励氮化硅梁谐振式压力传感器的温度特性研究.pdf

热激励氮化硅梁谐振式压力传感器的温度特性研究 陈德勇崔大付 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室 北京 100080 ● 摘要：本文从激振电阻和传感器物理结构两个方面对热激励氮化硅梁谐振式压力传感器输出温漂特 性进行了分析．对不同器件的测试证实了分析结果。针对电热激励硅微梁压力传感器的温漂特点，采用 软件方法对温度进行补偿．实验结果表明，在OO一60。C范围内，输出相对误差大大减小，提高了传感 器的温度稳定性． 关键词：热激励氮化硅梁谐振压力传感器温度稳定性 1。引言 谐振式压力传感器是利用谐振器(也称谐振子)作为敏感元件，以谐振器固有谐振频率的变化来测 量待侧压力P的大小。对于微机械谐振梁压力传感器，#l-／Jn待测压力通常并不直接作用于谐振器，而是 通过压力膜间接改变谐振器的剐度，从而改变谐振频率，属于二次敏感原理：微机械谐振式压力传感器 因其精度高、稳定性好、体积小、易批量生产等一些优良的特性，被誉为新一代的压力传感器，是微电 子机械(MEMS)技术继压阻式压力传感器之后的又一项典型应用【l~3】。本文着重从激振电阻和传感器 物理结构两个方面对热激励氮化硅梁谐振式压力传感器输出温漂特性进行了分析。分析结果表明，在相 同的条件下激励电阻和结构热应力都能引起输出温漂；采用适当的材料和加工工艺可以减小部分温漂， 但由于加工条件的限制不能完全消除温度对输出结果的影响；不同的器件的材料和制作工艺的差异，可 能导致出现完全相反的温漂特性。对不同器件的测试证实了分析结果。通过软件方式对传感器的温度特 性进行了补偿。 2．压力传感器温度特性 微谐振式压力传感器的核心部件是谐振器，它通过测量谐振器的谐振频率在外加压力作用下的改变来实 现压力检测。谐振梁在轴向应变为s时，无阻尼一阶谐振频率的表达式为 川衅居．—1+0．29—5菩f占 ㈣ 产讣57(小3m] ㈤ 除压力外，温度对谐振器的谐振频率也有一定的影响，具体表现在两个方面： 1)谐振梁结构及特性参数的温度系数。谐振梁的谐振频率与梁材料的杨氏弹性模量E、质量密度p和梁 的尺寸(，，^)等，而这些结构和特性参数都受温度的影响，有着各不相同的温度系数。温度变化时。谐振 梁的谐振频率也将随着改变。 2)热应力。当谐振梁上镀有金属膜(激振、拾振铂电阻及金引线)，构成双层梁结构：当谐振器的谐 振梁和衬底为不同的材料，如衬底为硅，梁为氮化硅；当压力传感器通过隔离垫片封接在金属管座上时，由 于不同材料(如金属膜、绝缘层、硅梁或氮化硅梁、垫片、金属管座等)的热膨胀系数不同，温度变化时会 在梁上产生或正或负的热应力，从而改变谐振梁的谐振频率。 封装结构设计可以减小温度对谐振式压力传感器精度的影响，但是仅仅依靠封装结构设计来提高传感器 160 的温度稳定性，还是不够的，需要进行温度补偿。 3．实验结果 采用带有温度输出的闭环测试系统，对研制的压力传感器进行了变温测试。测试中使用传感器均为梁膜 一体结构，时效时间大于1000h，测温范围O℃-,-60℃。为了保证实现缓慢升温／降温过程，传感器在测试过程 士o．2℃。图1所示是两个传感器在闭环系统中温度特性测试结果：满刻度量程FS取谐振频率的10％，可以保 证较好的线性度。传感器n皆振频率随温度升高，近似线性地减小，温漂)，=一O．2％FS／。C；传感器2谐振频率 随温度升高，近似线性地增加，温漂y=O．6％FS／C。二者温漂特性完全相反。 0 ／ O ’＼一 ‘ ／ O ／ O 、 ／