毕设电子秤英文翻译

发布于:2021-10-28 03:57:08

优化设计的压阻式压力传感器的输出信号噪声比

摘要
压阻式传感器通常具有较小的信噪比, 这限制了它在测量压差较 小的方面的应用。由于压力范围降低,与传感器的灵敏度增加,噪声 影响的输出信号成为传感器设计的限制因素。在本文中,优化设计、 提高了信噪比的 piezoresistive-type 压力传感器对通常与这些类型的 传感器有影响的不同噪声进行了考虑。以优化设计的为例,它是通过 最大限度地提高恒定电压和电流的信噪比来提高性能指标的。 输出电 压和噪声在分析和实验测试两方面的几何参数分别为压敏电阻、 外加 电压和电流。布朗、约翰逊和闪烁(1/f)噪声模型中,后两者主要 应用于低频率直流的情况。实验结果表明,优化设计方面的电阻的长 度,与一些原来对噪声的考虑是不同的。在特殊情况下的压阻式传感 器测试中,比起只验证电阻有效和无效,闪烁噪声要求具有更多变和 更活跃的成分。最佳的传感器设计是输出电压/噪声电压的比值是最 大输出电压的两倍。 (有些图在这篇文章中,颜色仅在电子版本上可以看出)

1、应用简介 、 硅微压阻式压力传感器被应用于生物医学,航天,汽车[ 1]。 这些压力传感器由于其具有尺寸小,批量生产性和良好的性能,从而

代替了传统的宏观压力传感器。由于微型机械技术有较大的发展,它 现在可以准确地测量压力低于 10kpa 的压力。 这个低压限度对许多生 物医学仪器尤为重要, 如其则可用于测量血 (动脉, 静脉和毛细血管) 压力和人工眼压力[ 1,2 ]。在开发低压传感器中,许多设计考虑的 重点都放在灵敏度和线性度问题上。 这介绍几种提高灵敏度的压力传 感器设计方案[ 3,4 ],如以制备方法来提高灵敏度[ 5],也有修改膜 结构来提高传感器的响应线性[ 6]。

图1

图 1。(a)物理配置的压力传感器和电路隔着膜悬挂在一个硅基质衬底上。



一个压敏电阻,膜产生应变而引起电阻变化,从而产生压力差。(b)惠斯通电桥电路用于 检测压敏电阻的 电阻变化

然而,在设计低压压阻式传感器时,噪声的存在还需要考虑, 由于噪声确定是最小可探测的信号, 对于性能好的压力传感器是一个 非常重要的因素。 通过对压阻式和电容式压力传感器[ 7]的噪声分析,

以及对压阻式原子力显微镜的噪声分析[ 8],发现影响设计的参数有 压敏电阻的长度,匝数,密度,应变系数等,对低压力的压阻式传感 器而言,还需要考虑信噪比。 在本文中, 一个优化设计的压阻式压力传感器是考虑了噪声的。 优化设计的特殊情况下, 是通过最大限度地提高恒定电流和电压的信 噪比来提高是性能的。为分析性能指标,分别要对输出电压信号、输 出电压和噪声、噪声电压进行分析。对输出电压有影响的方面分别为 有源传感器的长度 L,压敏电阻的匝数 n,压阻参数 G,输入电压 Vin (或输入电流 Iin) 考虑到约翰逊 。 (通常称为约翰逊–奈) 闪烁 , (1/f) 和布朗噪声等因数, 对噪声电压有影响的方面主要为压敏电阻的总长 度 L。从性能指标的模拟分析的基础上以获得最佳(匝数 n,长度 L) 的传感器。 为了对通过分析得出的输出电压和噪声电压与用低应变系数的 镍铬电阻材料制作的压阻式压力传感器实验测量值进行比较, 各种传 感器的制作具有不同的匝数 n 和长度 L。通过只提取传感器本身固有 噪声的频域分析技术得到噪声电压。恒定电压的实验结果情况表明, 由具有最佳匝数 n 和长度 L 的传感器测出的噪声电压和只考虑输出电 压的传感器测出的电压明显不同。

2、配置为 piezoresistive 的压力传感器 、 图 1(a)和(b)分别是只考虑整体电路的设计和配置的压力 传感器和以惠斯通电桥电路来驱动和响应的压力传感器。 四分之一电

桥电路的传感器相对于半桥和全桥电路传感器而言,是最易受 由传感器尺寸产生的噪声的影响。R1 是一个贴在膜上压敏电阻,其 中应用到了它的压力差效应。R2 是可变电阻,其用于当压力不适应 膜时调节它的阻值来使得 Vout=Va-Vb 的值为零。 是*衡电桥中一个 R3 固定电阻,R4 是一个与 R1 具有相同大小和阻值的参考电阻,其位 于基板上用来*衡 R1 上的电压。同时 R4 还提供了一个一阶来消除 热量和电磁对 R1 可能产生的影响(假设 R1 和 R4 受的影响相同) 。 惠斯登电桥因为有这样的结构而使得不同电阻情况下的输出电压具 有最高的灵敏度。恒定电压(有效值或直流)Vin 为传感器的实验提 供电源。在这里应当指出该桥电路在恒电流 Iin 作用下也是可工作的, A 点和 B 点之间的电流同样可测。 然而, 从不同的实验情况考虑和只 在理论上考虑,电桥的结构就是这样子。 图 2 显示了压敏电阻的几何形状。它安装在膜的边缘上,因为 边缘的中心具有最高的应变和最高的电压变化[ 3],这在后面还会讲 到。R1 由一个对输出信号有利的有效电阻 Rreff 和一个不利于输出信 号的无效电阻 Rnon 组成。如图 2 所示,从电阻的电路路径可以看出, 电阻与金属垫和硅基底都有接触。

图2

图 2。几何的压敏电阻传感器在方形(a×a)膜: (a)俯视图,和(b)侧视图

因此;

假设 w l = w t = w p = w 和 lt=g,则 R1 可表示为;

其中 n,ρ和 w 分别是匝数,电阻率和电阻的宽度;ll,ls,lt,lp 分 别是如图 2 所示的长度,wl,wt,wp,g 分别是如图 2 所示的宽度。tt 代 表压敏电阻的厚度,a 为方形膜的边长。ls,lt,lp 和 w、tl 作为不变的 参数来考虑。这些尺寸的改变会影响整体的结果,但是不改变定性分 析的结果。所以,电阻的总长度 l 可表示为:

有效电阻 Rreff 和无效电阻 Rnon 可表示为;

3,压敏电阻的设计 , 这个压力传感器主要是按提高信噪比来设计的。以下各节 将来分析传感器的输出、传感器的噪声和信号的噪声。 3.1 传感器的输出分析 3.1.1 施加电压的情况。 在没有压力的情况下, 输出电压 Vout 如图 1 所示, 可表示为;

如初始状态下所有电阻都为 R,施加压力,则 Vout 可表示为



的阻值不为 R 时,因此,输出电压由公式(1)可得;

其中,

为有效性电阻的变化值。从公式(7)可以看出

的最大值影响着输出电压的最大值。 为了上述方程机械变形所引起的压力差的测量,则令

G 和ε分别是膜的机械应变和压敏电阻系数。系数主要由制 作压敏电阻的材料决定。因此,如上面提到的,为了得到 Rreff 的最 大值,应把特定的电阻放在膜应变最大的地方。这就说明了为什么选 在膜的边缘了,如图 2 所示。

图3 膜上的应变如图 3 所示。 p = 0.5, = 3440 Pa, with a = 5.4 mm, 当 psi E = 100 GPa, h = 1 ?m 时,如图 3 所示,εx 和

ε 分别表示膜上
y

x,y 方向的应变,其中 E 是杨氏模量,h 是膜的厚度。将方程(7) 整理为;

将方程(8)代入(9)可得;

当压敏电阻的系数 n、ll 是固定时,则可以求得ε。 因为 R 和 Rnon 由 l 决定,而 l 由 n,ll 决定,所以输出可表示为;

可以看出输出电压成单调递增性。 则在不考虑膜的大小的理想情况 下,可以得到输出电压。用一个 a=5.4mm 的微型传感器进行试验, 通过分析比较得出 n,ll 可以是任意的。

图4 图 4 显示了输出电压随着 n,ll 变化的情况,其中 w = g =50?m, ,tl = 50 nm,p = 0.5, psi = 3440 Pa ,Vin = 5V。输出电压随着 n 的变大而稳定地增加,在 n=4 时达到最大值,然后不论 ll 怎样变化输 出电压缓慢地减小。当 n>4 时,电压减小是因为施压单位逐渐远离

膜边缘的中心。如图 3 所示,由于压力变小而导致应变变小,从而输 出电压减小。因此,如果 w,g,lt 的尺寸减小,则应变将更容易发生 在高应变 n=4 的区域。从图 3 可以看出,当 ll 增加时,输出电压急剧 增加到 0.75mm 左右,其是否再增加或减小主要取决于 n,因为远离 膜边缘的中心是应变小的区域。在只考虑方程(6) ,不考虑(1)的 情况下,输出电压在应变小的区域由最小值来表示是因为只有在 n=4,ll=0.75mm 时无效电阻 Rnon 才大于有效电阻 Rreff。

3.1.2 施加电流的情况 所给的条件和加电压的情况相同,如图 1 所示,在初始状态下 R1=R2=R3=R4=R。则输出电压为:

其中 R1=R+



是 R1 的应变值。因此;

其中 可表示为;

是有效电阻的应变值, 因为

, (13) 所以

其中有;

图5 图 5 表示了如(14)所示的输出电压随 n,ll 的变化情况。其中 w = g =50?m,tl =50 nm,p = 0.5,psi = 3440 Pa, Iin = 0.1 mA。输出电 压随着 n 的增加而增加,直到 n=15。当 n>15 时输出电压减小,因 为,如(14)所示ε的减小远远大于 Reff 的增加。输出电压随着 ll 的增加而增加,直到 ll=2.7mm 为止。 当以电流为传感器的电源时,和以电压时不同,输出电压只随着 有效电阻的 变化,而不受 Rnon 的影响。此外,输出电压在 n

一定的情况下,随 ll 的增加而增加,与图 4 所示的不同。

3.2 传感器噪声的分析 压敏电阻的噪声功率谱密度 功率谱密度 布朗噪声的功率谱密度 主要由约翰逊噪声的 和

, (1/f) 闪烁 噪声的功率谱密度 组成。则;

约翰逊噪声是一种由于电气材料的载体的随机移动而产生的电压热 噪声。它可表示为;

其中 kB, 分别是电阻器的玻尔兹曼常数和温度。 T 同时方程 (16) 的无效电阻是随着括号中 n 的增加而增加的。约翰逊噪声是随着 n 和有效应变的长度的*方根增加而增加的。 闪烁噪声的大小与频率成反比,因此叫它为(1/f)噪声。它是由 电导率的波动引起的。因此,对于施加电压的情况下,我们可以通过 闪烁噪声的变化来了解电压波动的情况。其表示为;

其中,

表 示 dimension-independent

装置的参数,q 表示载体的浓度。在施加电流的情况下有;

系统的布朗噪声是由布朗力

使膜产生机

械波动而引起的,其中 D(kg/s)是膜的阻尼系数。布朗力对任何声 阻尼( ,A 为膜的面积)引起的压力波动都适应。所以

布朗力噪声可表示为;

由物理直接模拟的约翰逊噪声与电阻息息相关

。这

种压力的波动可以转换成等效的噪声(布朗噪声)乘以传感器的灵敏 度 gt(它的单位为伏特每帕斯卡尔)。如图 4 所示,传感器的最大灵敏 度 gt=0.000686 v/pa 是在点(n,ll)=(4,0.75mm)上。因此,布 朗噪声可估算为:

由本文中的实验研究分析可得布朗噪声和约翰逊噪声的比值如下,

其中

, D = 0.554 kg/ s, R 约为 1.44 k 千欧。 .

因此, 在这里看来机械膜的布朗噪声相对压敏电阻的约翰逊噪声而言 可以忽略不计。然而,相对于非常薄、非常小的膜而言,布朗噪声也 是需要考虑的。 传感器的噪声和输入电压的关系可表示为;

其中

是灵敏度和输入电压的比例因子。第一个括号里的传感器长

度增加,第二个减小,则与噪声电压成相反趋势。第三部分的 l 是独 立固定的。到底那部分占主导地位主要取决于传感器的运作和设计。 当输入电压很小,与其相关的热电压也小时,约翰逊噪声将较大,并 将随 l 而增加。然而,在低频率中运行的情况下,闪烁噪声往往占主 导地位,只要输入电压比热电压不小时,噪声会随着 l 增加而减小。 其次,考虑到在施加电流情况下传感器噪声主要以闪烁噪声为主。则 用方程(2)和(3) ,R(=R1)可表示为;

由方程(18)(23)可得: ,

, 因此,在施加电流情况下,噪声电压与压敏电阻的长度的*方根成正 比,而在施加电压时,噪声电压与 成正比。

3.3

传感器输出电压/噪声电压的分析

3.3.1 施加电压的情况 作为一个噪声对设计的压阻式传感器产生影响的例证,我们只 考虑输入电压为大直流的情况。传感器噪声将主要以闪噪声为主。

因此,在

的情况下,有;

从这方程可以看出噪声电压与输入电压成正比,与 程(10)(25)可得; ,

成反比。由方

在这种只考虑闪烁噪声影响的特殊情况下,

不受 Vin 的影响。

图6 图 6 表示了当 f=1Hz 时, 的比值随 n,l 变化的情况。

它与图 4 表示的输出电压只和有效电阻、无效电阻有关的情况不同。

在只考虑闪烁噪声的情况下, 直到 n=10。当 n 大于 10 时,

随 n 的增加而单调递增, 减小,因为在膜的低变区域,

因无效电阻而导致输出电压减小的速度远比随着 l 增加而导致噪声电 压减小的速度要大。 与只考虑无效电阻对输出电压有影响的情况不同, 随着

ll 的增加而单调递增,直到 ll 达到它可能的最大值 2.7mm 为止。其原 因是主要受闪烁噪声影响的噪声电压会随着 减小,而输出电压过

了峰值后, 其受 ll 的影响较小, 如图 4 所示。 因此, 时是这种情况下的最佳结果。利用方程(16)(22)可以很容易把 , 约翰逊对设计的压阻式传感器噪声的影响纳入 的计算范畴。

如果输入电压调制在高频中,或在峰值上,或比峰值小点时,约翰逊 噪声相对于闪烁噪声的影响也是很重要的。 如果压敏电阻运行在高频交流中时, 有一个点上的闪烁噪声远远 低于约翰逊噪声,如方程(16)所示,噪声将随 l 增加而增加。相反, 压敏电阻的噪声主要受闪烁噪声的影响。因此, 将会有一个

最大值,并当输出电压随着 l 增加而过了峰值后降会减小,因为受约 翰逊噪声影响的噪声电压会随着 而增加,但输出电压随之减小。

信号噪声的最大值将会出现在输出电压附*,同时这也取决于 l, , 谁增加得更快,因为它们都增加到了 的峰值。

3.3.2 施加电流的情况 在施加电流的情况下 与 有相同的变化趋势,因为



成比例,由方程(13)(24)可得; ,

图7 图 7 表示了当 f = 1Hz.时, 图所示 随 n,ll 变化而变化的情况。如

在 n 的中间值与 ll 的最大可能值的交点上有一个最大

值。如果 l 足够大时,相对与施加电压的情况,施加电流的影响也是 设计灵敏度需要考虑的一部分。

图 8:将镍铬压敏电阻镶贴在硅片上 1 ?m 的氮化硅膜中的制作过程。 这也是传感器的制作过程。

4. 制作过程 压力传感器的制造过程中, 一开始就在硅晶片两面涂有 1?m 厚 的富硅,拉伸应力低于 100MPa 的氮化硅薄膜利用低压化学气相沉 积在 0.1?m 厚的 SiO 2 层的顶部。图 8 中(a)至(j)表明了压力传 感器的制作过程。 每副图左右分别显示了俯视图和 AA^截面图, (b) 如 所示。镍铬用来制作压敏电阻压力传感器,因为它有一个相对低的应 变系数 G(<3) 。从方程(26)定性地分析,G 会增大 的大

小。因此,使用高压阻的镍铬材料,如掺杂多晶硅,对于这类型的压 力传感器,vnoise 会有更好的显示效果。

图9

图 9 是一张压力传感器的照片。使用金黏垫可以最大化减小意外电阻对传 感器噪声的影响。

光刻法的第一步就是制作电阻器。 直流磁控溅射镍铬的图案在 溅射过程成型。金垫也是在第二次光刻发射和金沉淀后形成的。光刻 的最后步骤是湿蚀刻硅晶片背面,去除氮化硅。在湿蚀刻之前,蚀刻 机先利用 等离子去除掉氮化硅层上的硅。同时,湿蚀刻是在含

40%氢氧化钾,75 摄氏度的水溶液中进行的。而且,在蚀刻时特别 地加入聚四氟乙烯来保护晶片的前端。

5。 实验结果 。 5.1 实验装置

图 10
图 10 是测量输出电压的实验装置。使用屏蔽盒是为了减小杂散噪声对系统的 影响。

图 10 是实验安装程序的简化图。 在压力传感器制造的过程中, 使用压力调节器来调节和供应恒定的压力。 该放大器电路是用来增加 输出电压和噪声的。为了减小传感器其他外在的噪声的影响,放大电

路被金属屏蔽盒屏蔽起来了。同轴电缆用于线路连接,其共同点是用 来降低接地回路和普通回路的影响。 数模转换器把模拟数据转换成数 字数据,并在计算机上显示出来。所有的组件和系统的噪声降低到低 于(40 分贝)从而来观察传感器的噪声。数据分析中还得减去传感 器信号的其余外在噪声。

5.2

传感器的输出结果(输出电压)

图 11

图 11 表明了输出电压的实验结果与方程(10)模拟仿真的结果之间 的对比。其中 n=1,4,10, ll = 100, 200, 300,400, 500, 600, 700, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400 ?m。 因此, 进行了 48 情况的实验。 应用的压力为 0.5 磅 (3440 帕) 和输入电压为 5v 与分析中的是相同的。 该模型与实验同意在 10% 会 1 毫米,范围从 0 到 20%了,会低于 1 毫米。这种差异主要是由 于错误的模型,恶化 ll 变小,这是造成简化导致方程(3)和(4)的 电阻长度和有效和非有效电阻。然而,结果似乎是正确的定性为会变 为零和同意与其他公布的结果[ 3]。此外,该模型 vnoise 包括 ll 和差 异比输出电压/vnoise 出现小于单独为输出电压。

5.3

传感器噪声提取的算法 没有变化的压力或温度传感器, 当采用直流或交流输入到传感

器,输出信号,输出电压(t) ,从传感器有一个相关的和不相关的 信号与输入电压(t) 。不相关的信号可以被视为固有噪声的输出电 压(t) 。

图 12
图 12 表示装置提取的传感器噪声。 (a)传感器输入电压的傅里叶变 化, (b)传感器输出电压的傅里叶变化, (c)过滤器删除相关信号 (d)不相关信号的规范化形式

提取的噪音,我们开始与 个垫合奏的 范 ,和 和

和 和

,它是傅里叶变换一 出来,这是 规

。从中发现的

,分别为。图 12 为程序提取固有噪声传感器。

频率 F1 是选定在噪声的系统和数据采集(数模转换器)板最小化。 图 12(a)和(b)表明归一化傅里叶变换的输入, 和

的传感器,分别出来。功能 相关信号在 F1,如图 12 所示(c) 。然后,将功能的

滤去 发

出的不相关的信号在正常化的形式,如图 12 所示(d) 。因此,固 有的噪声与傅立叶变换表达为;

5.4 噪声输出(vnoise)的结果 通过使用传感器噪声提取算法, 噪声功率谱密度 不同程度 , 得到了

。例 1,我=2000?m,并显示在图 13。如图 13 所示, 是成反比的比例和 ,所

闪烁噪声似乎是主导的,因为相应的 代表的方程(17) 。因此,假定形式的 据。

在方程(25)是支持性数

图 13
图 13 表示 种情况下噪声功率谱密度, 与 f 的关系。 四

比较实验可以得出

。使用算法和方程(28)的分析结果 =1,3,5,7,9v,n=1, 变化方

从方程(25)从中得出。实验进行在

4 , 10,和 =2000?M,频率 F=1,是所有特例为研究 面的唯一的,在 n,

,l 为特殊情况下,闪烁噪声占主导地位。

如图 14 所示,实验得出的值是在 0.02 伏的分析价值的调查, 使 和 在方程(25)中。因此,如预期

的一样,噪声固有的这种传感器似乎主导的是闪烁噪声。

图 14
图 14 表示按方程(28)实验测量的噪声与方程(25)分析计算的噪 声比较结果

5.5 传感器输出/噪声(

)的结果

本实验能够确定输出电压/噪声电压,本文的主要结果可以建 立。 15 显示了比较实验结果和分析结果输出电压/噪声电压就将不 图 同的实验和分析结果同意与输出电压/噪声电压在范围 1 至 5, 对于任 意的 n, 而言。不管,最大输出电压/噪声电压达到最大,显着不同 的最佳值相比,发生在中间会时只考虑范围。考虑传感器相同的大小 和与材料设计和会,一个使用的最佳设计独自除外,和其他的输出电 压/噪声电压。 该传感器的优化设计的输出电压/噪声电压有其最大值。 此时 =(10,2.7mm) 。该传感器的优化设计的输出电压具有最

大输出时,仅仅只在

= ( 4 , 0.75mm ) 才 有 。

图 15
图 15 显示了实验测量的 的比较结果 与从方程(26)分析计算的

如图所示, 这两点在图 15 中, 传感器在 时有一个高达 2.5 倍的信噪比相对于传感器 时。因此,该

= (10, 2.7mm) =(4,0.75 mm)

传感器设计应该能够解决较小的压力 0.4 的

影响。微型传感器设计输出电压时,对于低压传感器这可能是很重要 的。

6. 结论和展望 . 对传感器噪声的考虑, 对于设计一个测量低应变的压力传感 器而言是非常重要的。电桥电路以电流或电压为电源,是为了

得到与应变和传感器噪声相应变化的输出电压。传感器是否设 计得好的一个重要性能指标是信噪比。 在不同的几何参数 和输入电压下,从实验和仿真模拟中得到相应的信噪比。从这 些结果, 我们可以知道在只考虑噪声影响的情况下最佳 时

的信噪比是只考虑与有效电阻和无效电阻有关的输出电压的影 响下的最佳 时的信噪比的 2.5 倍。因此,我们得出这样的

结论:在设计高灵敏度、低压的压阻式传感器时,噪声的影响 必须得考虑。 同时,在今后的最佳方案设计中,除了需要考虑各种形式 的电源(恒定电压/电流)和输出的测量方法(直流/交流输出) 外,还需要考虑其他的几何参数,如宽度,距离等。

致谢 这项研究是韩国教育部 21 工程以及 seoam 奖学金基金会国 际合作研究的项目,相当多的微系统实验室是由诺伊大学香槟 分校提供的。


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