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1、第卷第期半导体学报,月,年新型集成压力传感器的研究张维新毛赣如曲宏伟姚素英李建文天津大学电子工程系天津。。。摘要本文介绍一种新型集成压力传感器它是利用集成电路技术和微机械加工技术相结合,将半导体力敏电阻和双稳态触发器电路结合在一起,制作触发器型集成压力传感器文章对该类传感器的工作原理,电路结构进行了理论分析,并对实验结果进行了讨论重点分析了噪声对传感器特性的影响,在测试电路中加入调控三角波电压,可以改善传感器的特性己鑫,二二二,,
2、,目前测量使用的传感器多数为模拟量输出不便于与计算机控制系统接口最近提出一种新型的具有数字量输出的高灵敏度的传感器川这类传感器是将敏感,,元件设计在触发器电路中成为一个完整的电路然后利用集成电路技术制作在同一半导体芯片上图这种新型集成传感器可以制成各种不同敏感量的传感器本文以压力传感器为例,研究这类传感器的工作原理及其特性理论分析,,如图所示的触发器电路中当接通集电极电源时触发器的触出状态有三种可能“”“““输出高电平输出低电平’输出保持在’与’之间的某一中间电平电路,,最后处于哪一种状态则取决于电路内部的结
3、构及其外部条件当电路内部结构完全对称外部不存在任何干扰的情况下,触发器的输出有可能保持在第,种状态下但是这种情况,,同时也难以保证外部不存在任实际上不可能维持首先触发器电路不可能作到完全对称何干扰当电路存在不对称或外界条件存在微小干扰信号,使输出端电平升高,或降低时,,由于触发器中两个晶体管彼此连接成正反馈放大器因而迅速将这一微小的信号放大最后使触发器终止在输出高电平或低电平的状态影响输出高电平或低电平的因素可以归纳,,,张维新男!年生教授从事微电子技术和半导体传感器方面的教学和研究工作,,,毛赣如女年生副教授从事微电子技术和半导体传感器方面的教学和研
4、究工作,年月日收到初稿年月日收到修改稿半导体学报卷剩余电荷当,为四个方面触发器在脉冲电源驱动下工作电源脉冲处于高电平时,其中一个晶体管处于饱和态,有较多的贮存电荷另一个晶体管处于截止态,贮存电荷较少电源脉冲处于低电平时,晶体管将通过负载电阻放电当电源脉冲频率较高时,在下,,个脉冲到来之前处于饱和态的晶体管中的贮存电荷有可能没有完全放尽存在剩余电荷,,,可以用等效电压表示电路元件不对称在实际工艺制造过程中触发器两边的,元件不可能完全对称由此产生的失调可以用等效电压来表示噪声噪声对触发器,
5、从非稳态向稳态转化是极其重要的噪声来源主要有热噪声散粒噪声和噪声这些噪声是随机的正态分布可以用等效电压、来表示被测量的敏感信号上述四个因素可以用图的等效电路来表示炸』一叽珠蛛喻图触发器电路原理图图传感器的等效电路图,在双稳态触发器电路中如果上述前两项和被完全消除而且电路中也不存在,,被测量的敏感信号则触发器由非稳态向稳态的转变仅由噪声信号决定噪声信号,,因此,对触发器电路的影响是随机的其分布为正态分布是对称的当多次重复触发器由非,,“”“”稳态向稳态的转变在噪声信号作用下输出端出现高电平和低电平的几率是相等,,,的均为如果
6、将被测量的敏感信号不对称地加到触发器电路中的一边或两边则,“”触发器由非稳态向稳态转变其输出端出现高电平的几率就不再等于敏感信号,,”愈强输出高电平,’的几率偏离就愈大触发器型传感器就是基于上述理论分析的基础上而制成的实验结果,本文以触发器型压力传感器为例对这类传感器的特性进行了测试其基本结构如图示出的双稳态触发器制造工艺采用双极集成电路技术和微机械加工技术相结合为了提高,,和电路的工作频率减小寄生参量的影响尽量减小两个晶体管的几何尺寸实验采用晶面的硅单晶片,利用各向异性腐蚀将硅片腐蚀成矩形应变膜,膜厚约为拜两,个
7、应变电阻和分别置于。和晶向的应变膜内电阻的静态阻值约为掺,,,“一’另杂浓度约为在压力作用下应变膜发生形变其中一个电阻的阻值增大一个电阻的阻值减小期张维新等新型集成压力传感器的研究传感器的测试电路如图所示外接的精密电位器用于补偿传感器电路不对称所引起的失调电压,触发器的一个输出端经过比较器放大整形后,接一频率计数器记录输出高电平的频率几在触,发器电路中晶体管的集电极上加高频脉冲信号源脉
