小量程双鸭山变压器的研究与发展

小量程双鸭山变压器的研究与发展 介绍了双鸭山变压器在小量程测量领域的优势和目前研制小量程MEMS双鸭山变压器的技术难点。从实现双鸭山变压器小量程测量的不同方法出发，详细论述了国内外的研究成果、关键技术及应用情况。后分析总结了小量程传感器的发展方向与挑战。引言如今，用于测量中等(0.1～10 MPa)的MEMS传感器已经相当成熟，并且已经实现批量化生产。工作低于0.1 MPa者却不多见，远不能满足小量程测量需求。小量程测量主要应用于大气测量和生物体内部的测量。气压测量在气象、航空、实验室等条件中运用频繁。在气象学领域里，数据是估算大气中水汽含量不可或缺的参数。又如，根据气压值随海拔高度线性降低的关系可以实时获取航天器飞行时的高度位置信息。这些应用领域的气压值均在一个大气压（0.1 MPa)以下，而且需要传感器便携式和集成化。在临床医疗过程中，实时、准确地监测人体各种指标的变化能对诊断和治疗起到非常积极的作用。这些被测都比较小，青光眼的眼压范围在10～100 kPa之间[1]，人类与外部接触所产生的大约在0～220 kPa之间[2]。除此之外，传感器还需要植入生物体中，所以体积要微小并能进行非接触式测量。因此，小量程MEMS传感器应用前景广泛，对其研究具有重要意义。由于作用小，灵敏度成为了制约小量程MEMS传感器发展和应用的难点。通常，灵敏度的提高会导致线性度的降低，反之亦然。要成功研制出小量程传感器，必须先解决小量程高灵敏度输出与超薄力敏膜片大挠度引起的非线性误差之间的矛盾。MEMS传感器多种多样，与其他类型的传感器相比，传感器不仅结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、温度漂移小，而且能够进行非接触式的无线无源测量[3]。特别地，传感器还可以承受更高的满量程过载，这点对于小量程测试应用也是十分重要的，因为相对高的载荷经常会出现在小量程检测过程中[4]。通过上述分析可知，传感器很适合用于小量程测量。回历史，传感器很早就被用来测量、位移等。但由于当时技术水平的限制，使它的应用面临较多的困难，发展相对缓慢。随着科技的日新月异，特别是半导体产业的进步，新材料、新工艺、新电路得以不断被开发，传感器曾经遇到的许多技术问题都能够得到解决[5]，所以从20世纪80年代变压器厂家/开始,各国开始对MEMS传感器进行研究作为MEMS传感器的一个重要发展方向，国内外都探索了如何提高传感器在测量小量程时的灵敏度，但研究主要集中在压阻式传感器，对传感器的关注却比较少。国外研制的小量程MEMS传感器初步实现了产品化，国内却仅有中国科学院的王跃林教授所带领的研究团队对此领域开展了系列研究。1、小量程测压的技术难点传感器是基于变间隙式平行板电容器工作的。当可动极板受作用时，会发生一定的变形，因此上下电极之间的距离发生变化，从而它们之间的电容也发生了变化。然而，与电容之间的关系是非线性的。为了消除非线性，设计者会根据小挠度薄板理论设计传感器的可动极板，使之在一定的范围内非线性减小甚至呈线性变化。除此之外，也可以采用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。在小量程范围内，传感器的测量对象是。初始电容C0和Δγ（γ为可动极板形变量与初始极板间距的比值）是影响传感器灵敏度的关键因素。为了得到较大的电容输出和较高的灵敏度，极板作用面积应该尽量大，极板间的间距要尽量小，可动极板受力产生的形变也应该尽量大，同时采用介电常数大的材料做介电层。这4个设计参数之间不是彼此孤立的，而是相互联系相互影响。单纯利用改进传感器结构来提高小量程传感器的输出电容是有限的。如果电路灵敏度不高,则小电容信号很有可能湮没在噪声信号中。因此,对测量电路的优化也是实现MEMS传感器小量程测压必不可少的一步。大而薄的极板不仅使传感器的初始电容C0增大，而且使可动极板在受到相同时产生更大的形变，从而使传感器的电容输出值增大。但又大又薄的极板会导致器件的线性性能恶化，同时与MEMS微型化的设计理念相违背。而且，太薄的极板太脆易碎。极板间距的减小也可以显著提高C0。但当极板间距很小时，传感器的动态范围不仅过窄，而且空腔内任何微量气体的存在都会影响传感器性能，因此传感器空腔的真空度必须非常高。另外，在小范围内，内应力对可动极板工作性能的影响也特别大[7]，内应力会阻碍可动极板形变，降低传感器灵敏度，增加非线性误差[8]。而现阶段测量微小电容主要面临的困难是检测电路的复杂性和精度不高的问题。由于小量程传感器的输出电容太小，所以检测电路极其复杂[9]；与被测的微小电容相比，杂散电容一般要高很多，并且杂散电容会随诸多因素而变化，结果往往是干扰信号远大于被测量的信号，很难得到准确的结果[10]。因此，要实现小量程测量，不仅需要在小体积约束条件下改变传感器的结构来提高电容输出，以削弱杂散电容的干扰和降低测试电路的复杂性，还需要优化测量电路，增加其分辨率和精度。2、国内外研究现状在二十余年的时间里，国外小量程MEMS传感器的研制已经取得一定成绩。如Vaisala公司的BAROCAP系列产品是单晶硅基传感器，能够测量500～1 100 hPa（50～110 kPa）范围内的大气,在工业应用测量范围甚至可以更小，低至50 hPa（5 kPa）。BAROCAP传感器的技术已经很成熟，产品拥有较低的迟滞性、优异的测量精度和长期工作稳定性，在各行各业都得到了广泛应用，而且还能与其他类型传感器集于一体，达到、湿度、温度的同时测量。自1989年开始，日本富士电机公司已经将硅传感器商品化，其中的FCX-AIII系列双鸭山变压器小的测量范围仅为0～16 kPa。与国外相比，的研究基本处于空白状态，只能依赖于进口产品。针对MEMS传感器在小量程测量时存在的问题与挑战，各国都在寻找有效可行的解决办法，努力提升传感器的性能以期实现更灵敏、更准确的小量程测量。纵观国内外关于小量程传感器的报道，传感器的空腔间隙和可动极板厚度都很小；为了满足小量程测量对灵敏度和线性度的要求，在减薄压敏极板厚度的同时会相应缩小芯片尺寸。相关研究集中在传感器制备工艺的改良、传感器结构的创新以及测量电路的优化三个方面。2.1 传感器工艺改良工艺上控制超薄膜片的内应力很难。为了解决这个问题，多晶硅被选择用来作为小量程MEMS传感器的可动极板材料。选用多晶硅有如下优点：(1)典型的多晶硅是通过LPCVD(低压化学气相淀积)形成的，淀积厚度可以控制得很小，很容易形成超薄的可动极板；(2)经过退火处理，多晶硅可以形成低应力的薄膜[1]，削弱可动极板内应力对小量程测压的影响；(3)掺杂之后的多晶硅导电，使压敏极板有固定电势，无需引入额外的电极。此外，薄膜淀积工艺与牺牲层释放工艺也被广泛用来制作间隙很小的空腔。在此基础之上，人们不断摸索，以求工艺的合理与简化。马来西亚国民大学提出了一种基于标准CMOS工艺制造超薄薄膜的方法[11-12]。他们利用SiO2层作为牺牲层来形成空腔，氧化层的释放需要利用通道孔让腐蚀剂BOE进入氧化层对其进行腐蚀。然后采用LPCVD淀积氮化硅来密封通道孔，从而形成厚度仅为2 μm的传感器薄膜。这种加工技术的优点在于传感器可以单片集成，可以使用集成电路（IC）工艺进行制备。因此，传感器可以和读取电路、通信系统等集成。同时，淀积形成的仅为0.3 μm的空腔高度可以使传感器获得很大的变化值。该传感器的测压范围在10 mmHg～75 mmHg（13～100 kPa)之间，很适宜测量人体内的小量程，可用于青光眼的治疗。但由于LPCVD的真空度不高，所以压空腔实际上并没有达到真空等级，这会削弱传感器的测试精度。传感器截面原理据这种技术，该公司开发了一系列超敏感和高真空的传感器，可测量0.5 Torr(66.5 kPa)以下的，分辨力小于10-6 Torr(10-3 Pa)，灵敏度高达35 pF/Torr[13]。该公司还解决了传感器与外界电连接导致空腔密封性变差的问题。除此之外，传感器的温度特性也容易补偿，整体性能优越。2.2 传感器结构创新传统的传感器属于单端结构，即只有一个电容在发生变化。相关研究证明，差动结构的灵敏度要比单电容结构提高一倍，已经广泛用于普通传感器的小量程测量。为此，沈阳工业大学开展了差动结构的硅传感器的研制[14]，中国科学院的王跃林教授在差动结构的基础上提出了一种静电伺服传感器模型，解决了极板间隙过小导致传感器动态范围窄的问题。这种结构不仅可以作为真空传感器实现对真空环境的监控[15]，还可以作为微传感器[4]。为静电伺服传感器模型的示意图。硅可动极板与下层玻璃间的电容Cd用于检测变化。当Cd变化时，其变化信号通过电容/电压转换器转化成电压变化信号，然后电压变化信号通过放大器变成伺服电压VS，VS反馈到伺服电极上，对可动极板产生一个和原始变形方向相反的静电力FS，使薄膜回到初始位置，这样就实现了伺服效果，增大了器件的动态工作范围。同时，当过大时，可动极板会碰到下层玻璃完成过载保护。传感器来同时获得高灵敏度和大动态范围[16]。研究人员将压敏元件和电容的可动极板进行了去耦操作，即增加一个力敏薄膜来感知外界变化，然后将压敏薄膜通过一个中心轴与平行板器的可动极板进行机械耦合从而实现小量程测量。传感器的灵敏度可以通过增加可动极板的面积和减小极板间距来增加，动态范围可以通过减小力敏薄膜的面积来提高。增加压敏薄膜的另外一个好处是可动极板无需暴露在外界环境中来获取变化，电容结构可以完全密闭封装并且与力敏薄膜电隔离。工艺方面，也是采用淀积多晶硅来形成力敏薄膜(厚度在1.0～1.5 μm之间）和平行板器极板（厚度在2～3.5 μm之间），淀积氧化层作为牺牲层形成空腔。传感器的灵敏度很高，在小于1 000 Pa的范围内灵敏度仍有10 aF/Pa。2.3 电容测量电路优化随着测试技术的发展，国内外的科研工作者在微小电容测量电路的设计方面已经取得了很大进步，提出了许多新的测量方法及电路结构，应用于不同的微小电容读取场合。但大部分测量方法的电路精度和集成化程度比较低，还不能很好地达到在实际应用方面的要求。在小量程MEMS传感器信号读取方面，日本东北大学的Tomio Nagata等人早实现了采用数字芯片来补偿传感器芯片的热灵敏度漂移。他们研制的传感器可以灵敏检测0～200 mmH2O(0～1.96 kPa)范围内的[17]。然而，灵敏度的提高会造成传感器温度特性的下降。为了保持传感器在小量程测量时的准确度，他们研制了一种全新的调整和补偿技术。该技术先利用转换器将电容值转变为相应的频率值，然后利用研发的IC芯片对零点温度系数和灵敏度温度系数进行补偿，将满量程（FFS）输出值进行调整，后输出数字信号。这一调整和补偿技术对提高小量程测量时传感器温度特性的提高很有帮助。传感器芯片的热灵敏度漂移为0.026%F.S./℃，零点温度漂移为0.013%F.S./℃。图4为传感器的电路连接框图。当电容空腔采用湿法腐蚀二氧化硅层形成时，其侧壁形状为抛物线型(近似球形)。北达科他州立大学的KAABI L等人建立了抛物线型空腔的传感器的理论模型[18]。为了实现40 Pa以下的的测量，他们设计了一种相应的调节器，可以实现的直接读取，分辨率达到1 Pa。调节器的工作原理也是先将电容值通过振荡器转换为相应的频率值，然后利用一个BCD计数器和译码器将频率值直接转变为值。调节器的实现简单易行，试验结果与理论结果吻合得很好。传感器结构和调节器原理框图分别如图5和图6所示。3、传感器的发展方向从改进传感器方面来说，现有研究都集中在优化传感器结构与改良工艺方面，发掘新材料的报道却鲜有。所以发掘杨氏模量低和介电常数大的新材料应用于小量程MEMS传感器是很有希望的一个研究方向。可动极板采用杨氏模量低的材料可以提高其形变量，介电层采用介电常数大的材料可以增大传感器的输出值。有很多高分子聚合物(Polymers)材料满足这样的设计要求,比如聚对二甲苯（parylene）、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU-8、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚已酸内酯(polycaprolactone)、聚苯乙烯(pplystyrene)[19]等。在这些材料中，PDMS不仅可以软刻蚀，而且具有铸造高保真的优点[20]，因而适合用来制作传感器。其杨氏模量可调，约750 kPa[21]。事实上，PDMS材料已经广泛应用于生物传感器和微流控领域，利用PDMS制作薄膜，PDMS与PDMS[22]、PDMS与硅键合[23]的相关加工工艺都已经成熟，为其应用于MEMS传感器奠定了坚实的基础。另一方面，如何提高精度和分辨率，降低杂散电容的影响依旧是测量电路的优化重点。4、结束语目前，商业化的MEMS传感器不能满足气象检测、空间探索、生物医学等特殊背景下的测量需要,www.gsbzf.com/ 因此对小量程传感器的研究成为必然。与其他类型的传感器相比，传感器适合小量程测量，但还需要进一步研究，改善其灵敏度和测量电路，使其得到广泛的应用。本文讨论的传感器代表了小量程MEMS传感器的研究成果，分别针对传统的平行板电容器进行了工艺改良、结构创新与电路优化。这几种传感器各具特点但仍有不足，适合在不同领域中使用。通过调研发现，采用诸如PDMS的柔性材料作为传感器的可动极板材料是达到小量程测量目的的一个有效途径。与国外相比，国内对于这方面的研究尚在起步阶段，因而迫切需要投入力量，大力开展这方面的研究工作。