一种传感器及检测物理状态的方法技术

本发明专利技术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］）。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。附图说明图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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：艾拉E巴斯克特，安德鲁C麦克耐尔，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]