專利名稱：傳感器中薄膜應(yīng)力的補償電路與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及傳感器電路，更具體地說涉及一種校正傳感器信號中的非線性的電路。
傳感器通常用于將溫度、壓力與加速度等物理條件轉(zhuǎn)換為電的傳感器信號以進一步處理。一個典型的傳感器，諸如壓力傳感器，包括一個將壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)力的膜片，一個變送器將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為傳感器信號，它經(jīng)過放大、濾波后提供一個傳感器輸出信號。
物理條件與傳感器信號之間存在線性關(guān)系是最為理想的。然而，在大多數(shù)傳感器中，由于膜片的偏移導(dǎo)致的非線性，傳感器信號并不能準(zhǔn)確地描述物理條件。在壓力傳感器的例子中，所施加的壓力在膜片上形成許多應(yīng)力分量。例如，與膜片的偏移有線性關(guān)系的彎曲應(yīng)力產(chǎn)生了一個代表所施加壓力的線性輸出信號。
膜片的多種應(yīng)力分量中的另一個是薄膜應(yīng)力。薄膜應(yīng)力與膜片的厚度與物理尺寸有關(guān)，當(dāng)膜片被拉伸時產(chǎn)生薄膜應(yīng)力。薄膜應(yīng)力給傳感器信號提供了一個不期望的非線性成分，它隨著所施加壓力的增加而增大。非線性成分引起一個誤差項，以致于傳感器的輸出信號不能準(zhǔn)確地表示所施加的壓力。非線性成分的大小可高達5％或10％，對于設(shè)計用于惡劣環(huán)境下的傳感器就更高了。
許多應(yīng)用，包括汽車中的燃料噴射系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)應(yīng)用如血壓儀，以及環(huán)境控制系統(tǒng)中，需要較高的靈敏度及好于1％的精確度?，F(xiàn)有技術(shù)壓力傳感器典型地使用物理結(jié)構(gòu)，諸如凸臺來降低誤差。凸臺是分布在膜片上的厚結(jié)構(gòu)，用于增加剛度并約束膜片的變形。然而，凸臺降低了靈敏度，因而不適合低壓應(yīng)用。而且，凸臺同時增加了模具的體積與膜片的復(fù)雜程度，因而增加了傳感器的制造成本。
因此，需要一種傳感器，它具有能準(zhǔn)確表示被測物理條件的基本上是線性的輸出信號。


圖1是一個傳感器的立體圖；圖2是一個施加了壓力的傳感器的側(cè)視圖；圖3是一個誤差補償電路的原理圖。
參照圖1，所示傳感器100適合使用常規(guī)的IC工藝象集成電路(IC)那樣制造。盡管下述討論是以壓力傳感器為對象，本發(fā)明同樣適用于其它類型的傳感器將一個物理狀態(tài)，如加速度和溫度，轉(zhuǎn)換為一個電信號。一個傳感器膜片101是通過從基底110上腐蝕材料而形成的，它為膜片101提供了一個機械的底座。一個變送器102，一個變送器103與一個誤差補償電路104形成于壓力傳感器100的上表面。變送器102與103各產(chǎn)生一個耦連到誤差補償電路104的檢測信號。
形成膜片101的腐蝕工藝最好是各向異性腐蝕，使得材料沿著基底110的一個可預(yù)知平面111分離。各向異性腐蝕使得易于從傳感器100的上表面識別膜片邊緣112的位置，以使為布置變送器102，103及誤差補償電路104提供了參照。基底110上形成一外延層108，它在各向異性腐蝕工序中提供了一個腐蝕終止層。外延層108進一步為在傳感器100上建立變送器102，103及誤差補償電路104提供了一個高質(zhì)量的底板。典型地，外延層108被制成約15微米厚。膜片101的厚度在15-18微米之間，寬為1000-2000微米。
變送器102與變送器103形成于外延層108的上面，用來檢測施加壓力時膜片101的變形。變送器102與103典型地各包含一個壓阻裝置，比如一個惠斯通電橋或壓敏電阻。變送器103的另一個例子公布于美國專利4,317,126，在此包括在參考資料中。變送器103還有一例公布于美國專利申請08/395,228，1995年2月27日由Brian D.Meyer等申請，轉(zhuǎn)讓給Mctorola，Inc.(摩托羅拉公司)。變送器102和103提供的變送器輸出電壓是膜片101位移的函數(shù)。
參照圖2所示的傳感器100的橫截面?zhèn)纫晥D(未按比例)，它包括基底110與膜片101，102上形成了外延層108。與圖1中同樣參考編號的元件提供相似的功能。施加于傳感器100的壓力引起膜片100的偏移。變送器102布置于膜片101上的位置202處，變送器103置于膜片101上的位置203處。一個誤差補償電路104形成于基底110的一個位置上，在這個位置上壓力在膜片101上引起的應(yīng)力不影響誤差補償電路104的操作。例如，誤差補償電路104示于圖2，布置在基座110上，距膜片101的一側(cè)有50微米。位置206確定了一個對稱點，在這點上膜片101有一個最大偏移。假定是均勻壓力分布，則位置206典型地位于膜片101的中點。
當(dāng)膜片101在壓力的作用下發(fā)生偏移時，從而在膜處101上誘發(fā)多種應(yīng)力機制。應(yīng)力機制之一，被稱為彎曲應(yīng)力的，正比于偏移量，是由施加的壓力作用使膜片101變形而引起的。彎曲應(yīng)力正比于沿膜片101在任一點的彎曲度。傳感器輸出信號隨彎曲應(yīng)力而線性變化。因此，彎曲應(yīng)力是所施加壓力的準(zhǔn)確表示。
在膜片101上不同點的彎曲幅度不同。彎曲應(yīng)力在膜片101的上表面位于膜片邊緣112與位置202之間的區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而在膜片101上表面位于位置202與位置203之間的區(qū)域表現(xiàn)為壓應(yīng)力。由于拉應(yīng)力引起的彎曲應(yīng)力起始于膜片邊緣112，在位置203處增加到最大值。在位置203與位置202之間的區(qū)域拉應(yīng)力降到零。從位置202到位置206的區(qū)域，膜片101受到逐漸增大的壓應(yīng)力，這一壓應(yīng)力在位置206達到最大值。因此，位置202是膜片101中從遞減的拉應(yīng)力區(qū)域到遞增的壓應(yīng)力區(qū)域的轉(zhuǎn)變點。結(jié)果，位置202的彎曲應(yīng)力基本上是零。
位置203是膜片上表面上的一點，這個點處于拉應(yīng)力區(qū)域，在這個區(qū)域彎曲應(yīng)力達到局部最大值。彎曲應(yīng)力最大的點，即位置203，對于所施加的壓力變化不明顯。因此，變送器103布置在位置203，以產(chǎn)生最大壓阻變量與最大檢測信號。膜片101上的位置203處顯著的彎曲應(yīng)力在變送器103的檢測信號中產(chǎn)生了一線性成分，它能代表所施加的壓力。
薄膜應(yīng)力是當(dāng)施加的壓力引起膜片101拉伸時膜片101感應(yīng)的另一種類型的應(yīng)力。薄膜應(yīng)力在膜片101中基本上是常量。這樣，位置202處的薄膜應(yīng)力等于位置203處的薄膜應(yīng)力。薄膜應(yīng)力產(chǎn)生了一個負(fù)的非線性誤差成分，它減小了變送器103的檢測信號的大小。由于薄膜應(yīng)力作用于膜片101，變送器103的傳感器信號不能真正代表施加的壓力。如果膜片101厚16微米，寬1200微米的話，當(dāng)施加的壓力使膜片101偏移約6微米時，所產(chǎn)生的非線性誤差成分就非?？捎^了。
變送器102設(shè)置于大膜片101上的位置202處，這個位置的彎曲基本為零，彎曲應(yīng)力基本上也為零。由變送器102產(chǎn)生的檢測信號的線性成分基本是零。由變送器102產(chǎn)生的檢測信號是由膜片101中的薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的一個非線性誤差信號。位置202處沒有彎曲應(yīng)力，因而變送器102的傳感器信號中沒有彎曲應(yīng)力量出現(xiàn)。膜片101中均勻的薄膜應(yīng)力在位置202處產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力等于位置203處的薄膜應(yīng)力，因此由變送器102產(chǎn)生的非線性誤差信號等于由變送器103產(chǎn)生的檢測信號的非線性誤差成分。由變送器102與103產(chǎn)生的檢測信號分別耦連至誤差補償電路104，它將變送器102的檢測信號加到變送器103上，產(chǎn)生了一個非線性成分實質(zhì)為零的傳感器101的輸出檢測信號。
變送器102和103的最優(yōu)位置即位置202和203典型地是在傳感器104的設(shè)計階段通過使用大家熟知的有限元分析法給傳感器100建模而確定的。有限元分析的目的是預(yù)測施加壓力時膜片101的響應(yīng)并在大量生產(chǎn)傳感器100之前分析感應(yīng)于膜片101中的局部應(yīng)力。傳感器100的建模是基于描述結(jié)構(gòu)圖形的輸入數(shù)據(jù)及構(gòu)成傳感器100的材料。輸入數(shù)據(jù)包括諸如傳感器100的物理尺寸、施加于傳感器100的壓力的范圍、以及物理參數(shù)等信息，如描述構(gòu)成傳感器100的半導(dǎo)體材料的楊氏模數(shù)與泊松比。有限元分析法把膜片101上每一點的應(yīng)力值作為所施加壓力的函數(shù)進行計算。輸出數(shù)據(jù)或以圖形方式表示為等高線圖，或提供表格形式。從表或等高線圖中看，彎曲應(yīng)力的最大與最小點即位置202和位置203就非常明顯了。位置202與203都顯示為固定點，當(dāng)施加的壓力改變膜片101的偏移時，它們都不隨之變化。
確定為一個傳感器一部分的一個檢測結(jié)構(gòu)響應(yīng)一個物理條件而產(chǎn)生一個應(yīng)力。一個變送器將這一應(yīng)力轉(zhuǎn)換為一個電信號。示于圖2的傳感器是傳感器100的一個實施例。傳感器100是一個具有檢測結(jié)構(gòu)101的壓力傳感器。類似的規(guī)則可用于檢測結(jié)構(gòu)101的其它實施例，如檢測結(jié)構(gòu)為一波束的加速度傳感器，波束響應(yīng)于所施加的加速度而偏移，或者是一個溫度傳感器，其中檢測結(jié)構(gòu)為一雙金屬元件，它隨溫度的變化而變形。
圖3是一個誤差補償電路104，一個變送器102，一個變送器103的原理圖。所示變送器103為一常規(guī)的惠斯通電橋，在節(jié)點306處與電阻302耦連，在節(jié)點362處與電阻304耦連。電阻302進一步耦連于一個操作在Vcc＝5.0伏電壓下的電源導(dǎo)線352。電阻304耦連于一個在地電勢下工作的電源導(dǎo)線350。變送器103有一個耦連于放大器330的同相輸入的輸出端356與一個耦連于放大器332的同相輸入的輸出端354。
變送器103是由具有正溫度系數(shù)的壓敏電阻組成的。電阻302與304最好具有零溫度系數(shù)，這樣節(jié)點360與362間的電勢隨溫度的增加而增加，在輸出端354與356提供一個更為穩(wěn)定的檢測信號。變送器103置于膜片101的位置203，這樣變送器103的輸出提供的信號具有一個線性的彎曲應(yīng)力成分與一個非線性的薄膜應(yīng)力成分。
變送器102包括在節(jié)點360與362間串聯(lián)的電阻322與324。電阻322與324一般耦連于變送器102的輸出端366。典型地，電阻322是一個壓阻元件，它的電阻隨所施加的壓力而變化，在變送器102的輸出端366產(chǎn)生一個檢測信號。電阻324可以是一個壓阻元件，它的電阻值根據(jù)施加于傳感器100的壓力而變化。
變送器102置于膜片101上的位置202，這一點是膜片101的上表面上彎曲度為零的點。因此，在變送器102的輸出端提供的檢測信號是一個由膜片101中的薄膜應(yīng)力所導(dǎo)致的非線性誤差信號，其線性成分基本上為零。在變送器102的輸出端366產(chǎn)生的檢測信號表示為一個單端檢測信號。應(yīng)指出的是工藝中一個普通的技巧就能按照本發(fā)明的原理改變變送器102，從而提供一個不同的輸出信號。
基本操作中，誤差補償電路104通過將變送器102的檢測信號加到變送器103的檢測信號上來校正由變送器103來的傳感器信號的負(fù)非線性誤差。一個包括放大器330，電阻306，電阻308和電阻310的放大級在端子356處接收變送器103的檢測信號，再進行緩沖和放大。一個包括放大器334，電阻320，以及電阻312的放大級緩沖與放大(提供在)端子354處的變送器103檢測信號。電阻306與308在放大器330的反相輸入端產(chǎn)生一偏置電壓，以校準(zhǔn)傳感器100的零壓力補償?shù)臏囟认禂?shù)。為使變送器103來的共模信號最小，電阻310優(yōu)選等于電阻312，電阻320優(yōu)選等于電阻306與308的等效并聯(lián)電阻。電阻314與318設(shè)置了放大器334的零壓力工作點。
放大器332的一同相輸入耦連于變送器103的輸出。放大器332形成為一個單增益放大器，它提供了一個緩沖級以避免給變送器102加負(fù)載。電阻316與312構(gòu)成一個求和電路，將放大器332與330各自的輸出在放大器334的一同相輸入端求和。變送器103的輸出端子354耦連于放大器334的一同相輸入，而放大器330的輸出耦連于放大器334的反相輸入。放大器334通過將變送器102的檢測信號加到變送器103的檢測信號上來消除變送器103的檢測信號的負(fù)非線性成分。經(jīng)誤差校正的輸出檢測信號VOUT是一個代表傳感器物理狀態(tài)的線性輸出信號。電阻320設(shè)置了放大器334的電壓增益，以產(chǎn)生傳感器100的輸出檢測信號VOUT的期望幅值。
在本發(fā)明的另一實施例中，變送器102的惠斯通電橋可以排列成使由于薄膜應(yīng)力而產(chǎn)生的非線性誤差信號加到傳感器信號的線性成分上。這樣，從變送器103的傳感器信號減去變送器102的非線性誤差信號，就產(chǎn)生了一個表示傳感器100的物理條件的線性、誤差校正后輸出檢測信號VOUT。
至此，應(yīng)當(dāng)知道本發(fā)明提供了一個用于校正受到彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力的傳感器的檢測信號中誤差的電路與方法，其中彎曲應(yīng)力線性描述了傳感器的物理狀態(tài)，而薄膜應(yīng)力將一個非線性誤差成分引入到檢測信號中。一個變送器置于檢測結(jié)構(gòu)中的彎曲應(yīng)力最大處，產(chǎn)生一個具有最大線性成分和非線性誤差成分的檢測信號。另一變送器置于一個彎曲應(yīng)力最小處，產(chǎn)生一個具有非線性誤差成分而線性成分基本上為零的信號。兩個變送器的檢測信號合并起來，消除非線性誤差成分。傳感器的最終輸出信號基本上是線性的，因而代表了所檢測的物理條件。
盡管已經(jīng)給出并描述了本發(fā)明的具體實施例，那些熟練的技術(shù)人員可對其進一步地改進與提高。應(yīng)當(dāng)知道的是本發(fā)明不局限于所描述的具體形式，基于本發(fā)明的精神與范圍的各種修改都在所附的權(quán)利要求書中所限定的發(fā)明范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，其特征在于一檢測結(jié)構(gòu)(101，108)具有第一位置(202)，響應(yīng)物理狀態(tài)的彎曲基本上為零。第一變送器(102)布置于第一位置(202)，用以將檢測結(jié)構(gòu)中的薄膜應(yīng)力轉(zhuǎn)換成第一檢測信號。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，響應(yīng)物理狀態(tài)在檢測結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力與壓應(yīng)力之間的彎曲度實質(zhì)為零。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于檢測結(jié)構(gòu)還包括一第二位置(203)，它響應(yīng)物理狀態(tài)而發(fā)生彎曲。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于檢測結(jié)構(gòu)包括一響應(yīng)于物理狀態(tài)而發(fā)生彎曲的膜片(101)，因此在檢測結(jié)構(gòu)的上表面第二位置具有本質(zhì)的彎曲，而第一位置處于拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的速度，其彎曲基本上為零。
5.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于還包括布置于第二位置(203)的第二轉(zhuǎn)換器(103)，用以將物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換為具有一誤差成分的第二檢測信號，這個誤差成分是由響應(yīng)于物理狀態(tài)在檢測結(jié)構(gòu)中的薄膜應(yīng)力引起的。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于還包括一誤差補償電路(104)，它具有第一個耦連的輸入(366)用于接收第一檢測信號，第二個耦連輸入(354，356)用于接收第二檢測信號，以及一個輸出，用于提供一個誤差校正輸出檢測信號(VOUT)。
7.一種檢測物理條件的方法，其特征在于包括下列步驟提供一個響應(yīng)一個物理條件而彎曲的檢測結(jié)構(gòu)(101，108)，在第一位置(202)產(chǎn)生一個薄膜應(yīng)力，該位置上的彎曲基本上為零；在第一位置檢測薄膜應(yīng)力以提供第一檢測信號。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，響應(yīng)物理狀態(tài)在檢測結(jié)構(gòu)的表面處于拉應(yīng)力與壓應(yīng)力之間的過渡區(qū)的彎曲基本上為零。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，第一檢測信號代表了一個誤差成分，該誤差成分是由響應(yīng)于物理狀態(tài)在檢測結(jié)構(gòu)中的薄膜應(yīng)力引入的。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于進一步包括以下步驟在第二位置(203)處檢測薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，以提供具有誤差成分的第二檢測信號；將第一和第二檢測信號合并，以消除第二檢測信號的誤差成分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用以校正傳感器的檢測信號的電路與方法,其中檢測信號減小了一個由傳感器結(jié)構(gòu)中的薄膜應(yīng)力引入的負(fù)非線性誤差成分,第一個變送器安置于一個具有顯著彎曲應(yīng)力的位置,用以產(chǎn)生一個檢測信號,第二個變送器安置于一個彎曲應(yīng)力基本上為零的位置,用以產(chǎn)生另一個檢測信號,將第二個變送器的檢測信號加到第一個變送器的檢測信號上,以校正非線性誤差,產(chǎn)生一個代表物理狀態(tài)的傳感器的線性輸出檢測信號(V
文檔編號G01L1/22GK1178900SQ9711702
公開日1998年4月15日 申請日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月30日
發(fā)明者艾拉·E·巴斯克特, 安德魯·C·麥克耐爾 申請人:摩托羅拉公司