MEMS气象压力传感元件在低至-45°C的低温应用中的热力学控制外文翻译资料

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MEMS气象压力传感元件在低至-45°C的低温应用中的热力学控制

Lidong Du^1,2 , Zhan Zhao^1,3, Zhen Fang^1,3, Yu Feng², Jize Yan²

¹ 中国科学院电子学研究所传感器技术国家重点实验室，北京 100190，中华人民共和国

² 南安普敦大学电子与计算机科学纳米集团，南安普敦 SO17 1BJ，英国

³ 中国科学院电子与通信工程学院，北京 100049，中华人民共和国

摘要：在这项研究中，作者针对压阻式气象压力传感器在低温环境（低至-45°C）下精度较差提出了一种结合外部热力学控制芯片恒温的补偿方法。为了在这样的低温环境中使用设计好的传感器，微机电系统（MEMS）芯片必须保持在50°C，这是气象领域中最常用的最高工作温度。热补偿是通过基于比例-积分-微分算法的脉宽调制控制加热电阻来实现的。在台架试验期间，热控制的精度为50plusmn;0.5℃。用COMSOL软件得到的仿真结果与集总单元模型分析结果相一致。在环境温度降至-45°C的条件下，系统在压力标定后最大绝对误差达到plusmn;0.5 hPa。

1 引言

气象预测和分析在很大程度上取决于天气因素^[1]，其中压力是重要因素之一。有一些典型的压力传感器，如通用电气公司的硅谐振式压力传感器和维萨拉公司的PTB330。它们符合气象应用的要求，并已广泛应用于地面站和探测仪器，但是它们很贵。

如今，压阻式压力传感器的复杂制造工艺，如高温晶圆键合^{[2, 3]}，已经被意法半导体和博世等制造商大大简化了^{[4, 5]}。它使压阻式压力传感器成为气象压力传感的替代品。通常，压阻式压力传感器表现出非线性温度依赖性。近年来，许多组织已经开展了一些工作以改善传感器的温度漂移补偿，例如微调并联电阻器、温度依赖性串联电阻器^[6]或在传感器芯片中附加温度传感器^[7] ；在数据处理过程中实施数字化曲线拟合技术^[8]，硬件中使用的模拟或数字信号调理电路^[9]、复杂的二维算法^[10]、基于ANN（人工神经网络）的CMOS ASIC（基于互补金属氧化物半导体技术的专用集成电路）集成到传感器中^[11–14]、内置补偿技术^[15]。然而，这些方法不能使压力传感器在-40至50℃的温度范围内工作。基于压阻式压力传感器的霍尼韦尔精密气压计PPT0016AWN2VA-S255广泛应用于气象领域，但是它也很昂贵。在温度低至-40°C时，需要做很多工作来优化压阻式压力传感器的精度，这增加了压力传感器的成本。

有一种替代的温度补偿方法可以降低成本也很简单。通过将压力传感元件保持在恒定温度状态可以简化压阻式压力传感器的温度补偿。Drik De Bruyker和Robert Puers^[16]开发了一种片内加热方法，在压力腔内溅射加热电阻使传感器保持恒温。但是，位于接合界面之间的加热电阻的连接线容易导致真空腔泄漏^{[17, 18]}。它仍然不适用于低至-40°C的环境温度。

在本文中，我们通过结合片外加热电阻来动态控制微机电系统（MEMS）压力芯片的温度。将MEMS芯片的温度保持在恒定温度状态，以使其能够在低至-45℃的温度下工作。本文包括以下部分：（i）传感器的结构和原理；（ii）热控制和分析；（iii）通过集总元件模型和COMOSL软件进行热分析；（iv）传感器的特性。

2 结构原理及制造

2.1 结构和原理

热力学控制原理如图1（a）所示。通过微处理器测量MEMS芯片的温度，然后将测量值与目标值（50℃）进行比较。如果MEMS芯片的温度高于目标值，则加热电阻器将停止加热，反之亦然。通过脉冲宽度调制（PWM）控制加热，将MEMS芯片保持在50°C，这是气象领域中最常用的最高工作温度。从理论上讲，热质量是封装的MEMS芯片（尺寸：8mmtimes;8mmtimes;4 mm）。实际上，热质量还包括印刷电路板（PCB）和保护帽。PWM的占空比由微处理器通过比例—积分—微分（PID）算法自动计算。该恒定温度不会随环境温度的变化而变化。通过将MEMS芯片设置在恒定温度状态，传感器仅需要在50°C下校准。这种方法可以使设计的传感器在低至-45°C的温度下工作。

传感器结构如图1（b）和图1（c）所示。传感器由几个部分组成，包括MEMS压力芯片、金属帽、加热电阻、铂电阻和PCB。MEMS芯片安装在PCB上并由金属盖保护。该金属帽粘附在PCB上，具有将环境压力与MEMS芯片耦合的管。用于测量MEMS芯片温度的铂电阻器嵌入PCB的中心，并通过硅脂与MEMS芯片的底部中心连接，以实现更好的导热性。加热电阻安装在PCB的另一侧，并用保护凝胶覆盖。控制PCB包含温度控制电路和温度测试电路，连接在传感元件下方。

图1 热力学控制原理和整个传感器的结构

（a）热力学控制原理，（b-d）整个传感器的结构

2.2 MEMS芯片的制造和性能

通过将绝缘体上硅（SOI）晶片与派热克斯7740玻璃晶片接合来制造MEMS芯片，并进一步用图2（a）和图2（b）中所示的塑料插座封装。主要制造工艺如下。首先，在器件层上沉积金层并将其图案化以形成电子连接和焊盘。然后，在器件层上使用深离子反应蚀刻（DIRE）以形成应变仪。随后，DIRE用于在SOI晶片的处理层上制造腔，直到压力膜达到15mu;m的厚度。在上述步骤之后，金电子连接和焊盘在氮保护下退火。最后，图案化的硅晶片和玻璃晶片通过阳极键合以10^minus;4Pa的环境压力键合。

后面的过程旨在封装芯片。首先，将晶圆级晶片置于单个晶片上，由探针站进行测试。其次，芯片通过硅胶与胶囊连接。第三，将芯片和胶囊放入等离子体机中以除去杂质。然后用超声波焊接机将芯片和胶囊粘合，以将芯片焊盘与胶囊焊盘连接。此外，芯片和胶囊在80℃的温度下老化。最后，将胶囊用硅胶184灌封。

没有温度控制的MEMS芯片的典型性能如图2（c）所示。压力—电压特性表明方形拟合的精度在0.15％以内、灵敏度为6mu;V/ hPa / V、滞后误差约为0.7％满量程偏移（FSO）。温度系数约为2718ppm /℃。

图2 MEMS芯片的照片

1. MEMS芯片，（b）封装，（c）MEMS芯片的性能

3 热力学控制

热力学控制由微处理器（C8051F320）实现，如图1右侧所示。基础晶体管通过基极电阻R_b1与微处理器的引脚直接连接。电源Vc通过电阻器R_b2连接到晶体管的基极，并通过电阻器Rc连接到晶体管的集电极。晶体管的发射极连接一个用作加热器的低阻电阻。微处理器将目标温度值与用作温度反馈的铂电阻器的值进行比较。然后微处理器的PWM模块将控制晶体管中的电流。引入PID算法来改变PWM的占空比。

PID算法在传感器开发中至关重要。自1910年发明PID控制以及1942年Ziegler-Nichols直接调整方法以来^[19]，PID控制已被广泛使用。PID算法的等式用表示^[20]。

G (s)= K_p K_i /s K_d lowast;s (1)

其中K_p是比例增益，K_i是积分增益，K_d是微分增益。为获得最佳性能，K_p，K_i和K_d在调谐中相互依赖。在实践中(1)被改写为

Value= K_p*Error K_i *Sum_error K_d lowast;D_error (2)

其中Value是用于调整程序输出电压的值，Error是设定值与实际值之间的差值；Sum_error 是所有过去错误的总和；D_error是当前错误与先前错误之间的差值。参数（K_p，K_i和K_d）将随传感器的结构和材料而变化。

4 热分析

热分析的主要问题是MEMS芯片是否在目标恒定温度下工作。它主要取决于加热器的功率和系统的热结构。

能量平衡方程可表示为：

(3)

其中P_heater是加热器的功率，R_st是系统对环境的广义热阻抗，包括传导、对流和辐射损耗。T_s是系统的温度、T_amb是环境温度、C_sc是系统的热容。在静态下显示为表达式（4），MEMS芯片的目标恒定温度可以用等效热阻计算。

(4)

处于瞬态如式(5)所示，系统响应时间可以由等效热容和电阻获得。

(5)

4.1 集总元素模型

热域分析类似于电域。贯穿变量是热功率，而跨变量是热流。根据材料的几何和材料特性，计算了热阻和电容，如表1所示。

表1传感器中的材料特性，热阻和电容

集总元件模型如图3所示。在该模型中，考虑了热传导和热对流。当温度低于1300 K时，室内不会发生热辐射^[13]，将金属盖作为接近环境温度的理想散热器。因此，在集总单元模型中省略了这一点。恒流源代表由微控制器单元（MCU）中的PID算法控制的加热器。环境温

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