微型传感器家族新成员-微型接近传感器

2006-05-07 15:49:33来源: 电子产品世界

利用MEMS(Micro Electromechanical System,微机电系统)技术制作的微型传感是近年来传翕器发展的主流之一,特点是体积小、重量轻、功耗低、功能集成高和可靠性高等。其制造过程利用了半导体业较为成熟的工艺,能实现与之类似的大批量、高精度加工。目前,已研制出的微型传感器种类繁多,其中压力、加速度、磁(霍尔效应)、温度、光学(CCD)等传感器已有成熟商品问世。本文则将以Xiaofeng Yang(Advanced Micro Machines公司)等人研制的一种单片式传感器为例,介绍微型接近传感器这一微型传感家庭的新成员。

用途及基本原理

这种表型传感器主要用于为最终用户的产品提供一种检测其是否被移动、改动或摔打过的手段,它应该满足功耗低、可靠性高、不易损坏和价格低廉(低于1美元)等要求。该产品应始终保持对突发干扰作出响应的能力,即使用户产品数年口未受任何干扰。有鉴于此,设计者决定采用电容式接近敏感原理。

接近传感器目前所采用的原理有电感式、磁式、光学式、超声式和电容式等。电容式接近传感器的敏感元件由导电极板系统组成,可被视为一个或一组电容,附近出现或经过的导电体和介电体改变极板系统中的静电场分布,从而改变敏感元件的电容。信号处理电路检测出这种变化,就可以检测出目前物体的接近。相比之下,电容式传感器的结构较为简单,工作阻抗高(10kHz时1pF电容的阻抗为16.3×106Ω),因而功耗较低,此外通过锁频或频谱扩展载波调制技术,可以使之不受寄存或有意的干扰影响。其他方案则很难达到设计者的要求。例如,机械开关的稳定性和可靠性较差;磁敏感方式功耗过大,也容易受外磁场的影响;光学式和超声式传感器的结构较为复杂,容易受外界干扰。

结构设计与工作原理

    普通电容式接近传感器的敏感元件常常由印制电路板(PCB)上的铜箔构成,其形状必须根据用户的具体应用来设计。而为了实现即插即用,该新型传感器试采用SOIC的封装形式,将敏感结构和信号处理电路制作在同一芯片上、封装在一起,以方便各类用户使用。

由于小引脚数的塑料封装IC(如SOIC-16)的成本主要取决于硅芯片的面积,因此最早的方案是利用SOIC的引线框架(leadframe)构成敏感元件。与一般小尺寸敏感结构设计中电极几何结构可以自由选取不同的是,引线框架必须能在IC封装的全过程中为内部的所有元件提供机械支撑。设计者利用ANSOFT电磁场有限元分析软件对若干设计方案进行 分析,最后确定了如图1所示的SOIC-16结构,其连线与粘在方形板上的传感器管芯键合。

设计者利用FR-4PCB制作了一个分立的元件进行验证。测试结果证明计划采用的小尺寸电容敏感结构是有效的。此外还利用这一元件比较了固定频率与频谱扩展两种信号处理方法,结果表明,后者可以获得很好的抗干扰性,但前者也可得到所需的性能,且实现起来要简单得多。实验也暴露出引线框架结构的两个主要问题:一是传感器对其下方和上方的物体都有敏感作用,这样,用户在设计PCB时会受到一些限制,而且电路板清洗过程残留的导电性污物会影响传感器的性能;二是它与现有标准的封装技术并兼容,而新式封装工艺的开发将大大增加成本。因此设计者放弃了这种方案,转而采用在集成电路(IC)硅片上制作金属电极的办法,见图2。

新敏感结构的电极被埋置在厚厚的一层环氧树脂封装剂下。原先的SOIC-16引线框架结构方案中,电极到环氧树脂表面的距离约中,电极到环氧树脂表面的距离约为0.7mm,电极尺寸大致为2×4mm。在新方案中,电极是沉积在管芯上的,因而必须考虑管芯厚度,故环氧树脂覆层的厚度约为0.3~0.5mm。由于电极尺寸对于要求达到的敏感距离来说很小,信号电路必须能分辨极小的电容变化(1~5fF,而1fF=10 -15F),而寄生电容高达50~100pF。为此,设计者运用了非平衡式差动检测方法,使用了两个独立的电容耦合,一个用于敏感,另一个起到参考作用,并对其进行比较。

图3示出了敏感结构上方的电场分布示意图。电极的结构使得敏感电场(驱动电极与敏感电极之间的边缘电场)有相当一部分超出IC封装之外,而参考电容的电场主要限制在环氧树脂层内。这样前者容易受到目标物体的影响而发生变化,从而使敏感电容值发生变化,后者则几乎不受外界物体的影响。在传统的电容式接近传感器中,采用参考电容的目的是纠正表面电导率因潮湿和玷污而增大带来的影响。

当一个电接地的导电体接近传感器表面时,它对外部敏感电场的吸收远大于对参考电场的要吸收,因为传感器电极与目标物体的电容耦合极小(fF量级),几乎在任何一种宏观物体的自电容者可以使之被看作是“接地的”。

    图4示出了敏感结构的一种简化的集总参数电路模型,该模型考虑了到IC衬底的各寄生电容。该模型表明,一个目标的逼近将使敏感电容减小约2fF,而仅使参考电容减小约1fF。如何在寄生电容(敏感电极到衬底)几乎是电容不平衡值的100 000倍(67pF)的情况下,可靠地将这一不平衡值检测出来,将是传感器能否有工作的关键。

信号处理电路

设计者在最终确定采用何种电路之前,对两种信号处理电路的结构进行了模拟评估:一种是典型的同步检测器(锁定放大器,lock-inamplifier)电路;另一种BFGoodrich公司为该传感器专门开发的开关电容电路。前者用双极型工艺实现对可保证足够的性能,而用CMOS工艺实现现时则不能令人满意。后者在敏感、参考和寄生电容之间进行电荷转换操作,所得到的性能令人满意,可以用现有的CMOS工艺方便地实现。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1449.html
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