CN1178900A - 传感器中薄膜应力的补偿电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用以校正传感器的检测信号的电路与方法,其中检测信号减小了一个由传感器结构中的薄膜应力引入的负非线性误差成分,第一个变送器安置于一个具有显著弯曲应力的位置,用以产生一个检测信号,第二个变送器安置于一个弯曲应力基本上为零的位置,用以产生另一个检测信号,将第二个变送器的检测信号加到第一个变送器的检测信号上,以校正非线性误差,产生一个代表物理状态的传感器的线性输出检测信号(V_OUT)。

Description

传感器中薄膜应力的补偿电路与方法

本发明一般涉及传感器电路，更具体地说涉及一种校正传感器信号中的非线性的电路。

传感器通常用于将温度、压力与加速度等物理条件转换为电的传感器信号以进一步处理。一个典型的传感器，诸如压力传感器，包括一个将压力转换为应力的膜片，一个变送器将应力转换为传感器信号，它经过放大、滤波后提供一个传感器输出信号。

物理条件与传感器信号之间存在线性关系是最为理想的。然而，在大多数传感器中，由于膜片的偏移导致的非线性，传感器信号并不能准确地描述物理条件。在压力传感器的例子中，所施加的压力在膜片上形成许多应力分量。例如，与膜片的偏移有线性关系的弯曲应力产生了一个代表所施加压力的线性输出信号。

膜片的多种应力分量中的另一个是薄膜应力。薄膜应力与膜片的厚度与物理尺寸有关，当膜片被拉伸时产生薄膜应力。薄膜应力给传感器信号提供了一个不期望的非线性成分，它随着所施加压力的增加而增大。非线性成分引起一个误差项，以致于传感器的输出信号不能准确地表示所施加的压力。非线性成分的大小可高达5％或10％，对于设计用于恶劣环境下的传感器就更高了。

许多应用，包括汽车中的燃料喷射系统，医学应用如血压仪，以及环境控制系统中，需要较高的灵敏度及好于1％的精确度。现有技术压力传感器典型地使用物理结构，诸如凸台来降低误差。凸台是分布在膜片上的厚结构，用于增加刚度并约束膜片的变形。然而，凸台降低了灵敏度，因而不适合低压应用。而且，凸台同时增加了模具的体积与膜片的复杂程度，因而增加了传感器的制造成本。

因此，需要一种传感器，它具有能准确表示被测物理条件的基本上是线性的输出信号。

图1是一个传感器的立体图；

图2是一个施加了压力的传感器的侧视图；

图3是一个误差补偿电路的原理图。

参照图1，所示传感器100适合使用常规的IC工艺象集成电路(IC)那样制造。尽管下述讨论是以压力传感器为对象，本发明同样适用于其它类型的传感器将一个物理状态，如加速度和温度，转换为一个电信号。一个传感器膜片101是通过从基底110上腐蚀材料而形成的，它为膜片101提供了一个机械的底座。一个变送器102，一个变送器103与一个误差补偿电路104形成于压力传感器100的上表面。变送器102与103各产生一个耦连到误差补偿电路104的检测信号。

形成膜片101的腐蚀工艺最好是各向异性腐蚀，使得材料沿着基底110的一个可预知平面111分离。各向异性腐蚀使得易于从传感器100的上表面识别膜片边缘112的位置，以使为布置变送器102，103及误差补偿电路104提供了参照。基底110上形成一外延层108，它在各向异性腐蚀工序中提供了一个腐蚀终止层。外延层108进一步为在传感器100上建立变送器102，103及误差补偿电路104提供了一个高质量的底板。典型地，外延层108被制成约15微米厚。膜片101的厚度在15-18微米之间，宽为1000-2000微米。

变送器102与变送器103形成于外延层108的上面，用来检测施加压力时膜片101的变形。变送器102与103典型地各包含一个压阻装置，比如一个惠斯通电桥或压敏电阻。变送器103的另一个例子公布于美国专利4,317,126，在此包括在参考资料中。变送器103还有一例公布于美国专利申请08/395,228，1995年2月27日由Brian D.Meyer等申请，转让给Mctorola，Inc.(摩托罗拉公司)。变送器102和103提供的变送器输出电压是膜片101位移的函数。

参照图2所示的传感器100的横截面侧视图(未按比例)，它包括基底110与膜片101，102上形成了外延层108。与图1中同样参考编号的元件提供相似的功能。施加于传感器100的压力引起膜片100的偏移。变送器102布置于膜片101上的位置202处，变送器103置于膜片101上的位置203处。一个误差补偿电路104形成于基底110的一个位置上，在这个位置上压力在膜片101上引起的应力不影响误差补偿电路104的操作。例如，误差补偿电路104示于图2，布置在基座110上，距膜片101的一侧有50微米。位置206确定了一个对称点，在这点上膜片101有一个最大偏移。假定是均匀压力分布，则位置206典型地位于膜片101的中点。

当膜片101在压力的作用下发生偏移时，从而在膜处101上诱发多种应力机制。应力机制之一，被称为弯曲应力的，正比于偏移量，是由施加的压力作用使膜片101变形而引起的。弯曲应力正比于沿膜片101在任一点的弯曲度。传感器输出信号随弯曲应力而线性变化。因此，弯曲应力是所施加压力的准确表示。

在膜片101上不同点的弯曲幅度不同。弯曲应力在膜片101的上表面位于膜片边缘112与位置202之间的区域表现为拉应力，而在膜片101上表面位于位置202与位置203之间的区域表现为压应力。由于拉应力引起的弯曲应力起始于膜片边缘112，在位置203处增加到最大值。在位置203与位置202之间的区域拉应力降到零。从位置202到位置206的区域，膜片101受到逐渐增大的压应力，这一压应力在位置206达到最大值。因此，位置202是膜片101中从递减的拉应力区域到递增的压应力区域的转变点。结果，位置202的弯曲应力基本上是零。

位置203是膜片上表面上的一点，这个点处于拉应力区域，在这个区域弯曲应力达到局部最大值。弯曲应力最大的点，即位置203，对于所施加的压力变化不明显。因此，变送器103布置在位置203，以产生最大压阻变量与最大检测信号。膜片101上的位置203处显著的弯曲应力在变送器103的检测信号中产生了一线性成分，它能代表所施加的压力。

薄膜应力是当施加的压力引起膜片101拉伸时膜片101感应的另一种类型的应力。薄膜应力在膜片101中基本上是常量。这样，位置202处的薄膜应力等于位置203处的薄膜应力。薄膜应力产生了一个负的非线性误差成分，它减小了变送器103的检测信号的大小。由于薄膜应力作用于膜片101，变送器103的传感器信号不能真正代表施加的压力。如果膜片101厚16微米，宽1200微米的话，当施加的压力使膜片101偏移约6微米时，所产生的非线性误差成分就非常可观了。

变送器102设置于大膜片101上的位置202处，这个位置的弯曲基本为零，弯曲应力基本上也为零。由变送器102产生的检测信号的线性成分基本是零。由变送器102产生的检测信号是由膜片101中的薄膜应力产生的一个非线性误差信号。位置202处没有弯曲应力，因而变送器102的传感器信号中没有弯曲应力量出现。膜片101中均匀的薄膜应力在位置202处产生的薄膜应力等于位置203处的薄膜应力，因此由变送器102产生的非线性误差信号等于由变送器103产生的检测信号的非线性误差成分。由变送器102与103产生的检测信号分别耦连至误差补偿电路104，它将变送器102的检测信号加到变送器103上，产生了一个非线性成分实质为零的传感器101的输出检测信号。

变送器102和103的最优位置即位置202和203典型地是在传感器104的设计阶段通过使用大家熟知的有限元分析法给传感器100建模而确定的。有限元分析的目的是预测施加压力时膜片101的响应并在大量生产传感器100之前分析感应于膜片101中的局部应力。传感器100的建模是基于描述结构图形的输入数据及构成传感器100的材料。输入数据包括诸如传感器100的物理尺寸、施加于传感器100的压力的范围、以及物理参数等信息，如描述构成传感器100的半导体材料的杨氏模数与泊松比。有限元分析法把膜片101上每一点的应力值作为所施加压力的函数进行计算。输出数据或以图形方式表示为等高线图，或提供表格形式。从表或等高线图中看，弯曲应力的最大与最小点即位置202和位置203就非常明显了。位置202与203都显示为固定点，当施加的压力改变膜片101的偏移时，它们都不随之变化。

确定为一个传感器一部分的一个检测结构响应一个物理条件而产生一个应力。一个变送器将这一应力转换为一个电信号。示于图2的传感器是传感器100的一个实施例。传感器100是一个具有检测结构101的压力传感器。类似的规则可用于检测结构101的其它实施例，如检测结构为一波束的加速度传感器，波束响应于所施加的加速度而偏移，或者是一个温度传感器，其中检测结构为一双金属元件，它随温度的变化而变形。

图3是一个误差补偿电路104，一个变送器102，一个变送器103的原理图。所示变送器103为一常规的惠斯通电桥，在节点306处与电阻302耦连，在节点362处与电阻304耦连。电阻302进一步耦连于一个操作在Vcc＝5.0伏电压下的电源导线352。电阻304耦连于一个在地电势下工作的电源导线350。变送器103有一个耦连于放大器330的同相输入的输出端356与一个耦连于放大器332的同相输入的输出端354。

变送器103是由具有正温度系数的压敏电阻组成的。电阻302与304最好具有零温度系数，这样节点360与362间的电势随温度的增加而增加，在输出端354与356提供一个更为稳定的检测信号。变送器103置于膜片101的位置203，这样变送器103的输出提供的信号具有一个线性的弯曲应力成分与一个非线性的薄膜应力成分。

变送器102包括在节点360与362间串联的电阻322与324。电阻322与324一般耦连于变送器102的输出端366。典型地，电阻322是一个压阻元件，它的电阻随所施加的压力而变化，在变送器102的输出端366产生一个检测信号。电阻324可以是一个压阻元件，它的电阻值根据施加于传感器100的压力而变化。

变送器102置于膜片101上的位置202，这一点是膜片101的上表面上弯曲度为零的点。因此，在变送器102的输出端提供的检测信号是一个由膜片101中的薄膜应力所导致的非线性误差信号，其线性成分基本上为零。在变送器102的输出端366产生的检测信号表示为一个单端检测信号。应指出的是工艺中一个普通的技巧就能按照本发明的原理改变变送器102，从而提供一个不同的输出信号。

基本操作中，误差补偿电路104通过将变送器102的检测信号加到变送器103的检测信号上来校正由变送器103来的传感器信号的负非线性误差。一个包括放大器330，电阻306，电阻308和电阻310的放大级在端子356处接收变送器103的检测信号，再进行缓冲和放大。一个包括放大器334，电阻320，以及电阻312的放大级缓冲与放大(提供在)端子354处的变送器103检测信号。电阻306与308在放大器330的反相输入端产生一偏置电压，以校准传感器100的零压力补偿的温度系数。为使变送器103来的共模信号最小，电阻310优选等于电阻312，电阻320优选等于电阻306与308的等效并联电阻。电阻314与318设置了放大器334的零压力工作点。

放大器332的一同相输入耦连于变送器103的输出。放大器332形成为一个单增益放大器，它提供了一个缓冲级以避免给变送器102加负载。电阻316与312构成一个求和电路，将放大器332与330各自的输出在放大器334的一同相输入端求和。变送器103的输出端子354耦连于放大器334的一同相输入，而放大器330的输出耦连于放大器334的反相输入。放大器334通过将变送器102的检测信号加到变送器103的检测信号上来消除变送器103的检测信号的负非线性成分。经误差校正的输出检测信号V_OUT是一个代表传感器物理状态的线性输出信号。电阻320设置了放大器334的电压增益，以产生传感器100的输出检测信号V_OUT的期望幅值。

在本发明的另一实施例中，变送器102的惠斯通电桥可以排列成使由于薄膜应力而产生的非线性误差信号加到传感器信号的线性成分上。这样，从变送器103的传感器信号减去变送器102的非线性误差信号，就产生了一个表示传感器100的物理条件的线性、误差校正后输出检测信号V_OUT。

至此，应当知道本发明提供了一个用于校正受到弯曲应力与薄膜应力的传感器的检测信号中误差的电路与方法，其中弯曲应力线性描述了传感器的物理状态，而薄膜应力将一个非线性误差成分引入到检测信号中。一个变送器置于检测结构中的弯曲应力最大处，产生一个具有最大线性成分和非线性误差成分的检测信号。另一变送器置于一个弯曲应力最小处，产生一个具有非线性误差成分而线性成分基本上为零的信号。两个变送器的检测信号合并起来，消除非线性误差成分。传感器的最终输出信号基本上是线性的，因而代表了所检测的物理条件。

尽管已经给出并描述了本发明的具体实施例，那些熟练的技术人员可对其进一步地改进与提高。应当知道的是本发明不局限于所描述的具体形式，基于本发明的精神与范围的各种修改都在所附的权利要求书中所限定的发明范畴内。

Claims (10)

1.一种传感器，其特征在于：

一检测结构(101，108)具有第一位置(202)，响应物理状态的弯曲基本上为零。

第一变送器(102)布置于第一位置(202)，用以将检测结构中的薄膜应力转换成第一检测信号。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，响应物理状态在检测结构表面拉应力与压应力之间的弯曲度实质为零。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于检测结构还包括一第二位置(203)，它响应物理状态而发生弯曲。

4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于检测结构包括一响应于物理状态而发生弯曲的膜片(101)，因此在检测结构的上表面第二位置具有本质的弯曲，而第一位置处于拉应力与压应力的速度，其弯曲基本上为零。

5.如权利要求3所述的传感器，其特征在于还包括布置于第二位置(203)的第二转换器(103)，用以将物理状态转换为具有一误差成分的第二检测信号，这个误差成分是由响应于物理状态在检测结构中的薄膜应力引起的。

6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于还包括一误差补偿电路(104)，它具有第一个耦连的输入(366)用于接收第一检测信号，第二个耦连输入(354，356)用于接收第二检测信号，以及一个输出，用于提供一个误差校正输出检测信号(V_OUT)。

7.一种检测物理条件的方法，其特征在于包括下列步骤：

提供一个响应一个物理条件而弯曲的检测结构(101，108)，在第一位置(202)产生一个薄膜应力，该位置上的弯曲基本上为零；

在第一位置检测薄膜应力以提供第一检测信号。

8.如权利要求7所述的方法，其中，响应物理状态在检测结构的表面处于拉应力与压应力之间的过渡区的弯曲基本上为零。

9.如权利要求8所述的方法，其中，第一检测信号代表了一个误差成分，该误差成分是由响应于物理状态在检测结构中的薄膜应力引入的。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：

在第二位置(203)处检测薄膜应力与弯曲应力，以提供具有误差成分的第二检测信号；

将第一和第二检测信号合并，以消除第二检测信号的误差成分。

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