微型傳感器家族新成員-微型接近傳感器

利用MEMS（Micro Electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)制作的微型傳感是近年來傳翕器發(fā)展的主流之一，特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、功能集成高和可靠性高等。其制造過程利用了半導(dǎo)體業(yè)較為成熟的工藝，能實(shí)現(xiàn)與之類似的大批量、高精度加工。目前，已研制出的微型傳感器種類繁多，其中壓力、加速度、磁（霍爾效應(yīng)）、溫度、光學(xué)（CCD）等傳感器已有成熟商品問世。本文則將以Xiaofeng Yang(Advanced Micro Machines公司)等人研制的一種單片式傳感器為例，介紹微型接近傳感器這一微型傳感家庭的新成員。

用途及基本原理

這種表型傳感器主要用于為最終用戶的產(chǎn)品提供一種檢測其是否被移動(dòng)、改動(dòng)或摔打過的手段，它應(yīng)該滿足功耗低、可靠性高、不易損壞和價(jià)格低廉（低于1美元）等要求。該產(chǎn)品應(yīng)始終保持對(duì)突發(fā)干擾作出響應(yīng)的能力，即使用戶產(chǎn)品數(shù)年口未受任何干擾。有鑒于此，設(shè)計(jì)者決定采用電容式接近敏感原理。

接近傳感器目前所采用的原理有電感式、磁式、光學(xué)式、超聲式和電容式等。電容式接近傳感器的敏感元件由導(dǎo)電極板系統(tǒng)組成，可被視為一個(gè)或一組電容，附近出現(xiàn)或經(jīng)過的導(dǎo)電體和介電體改變極板系統(tǒng)中的靜電場分布，從而改變敏感元件的電容。信號(hào)處理電路檢測出這種變化，就可以檢測出目前物體的接近。相比之下，電容式傳感器的結(jié)構(gòu)較為簡單，工作阻抗高（10kHz時(shí)1pF電容的阻抗為16.3×106Ω），因而功耗較低，此外通過鎖頻或頻譜擴(kuò)展載波調(diào)制技術(shù)，可以使之不受寄存或有意的干擾影響。其他方案則很難達(dá)到設(shè)計(jì)者的要求。例如，機(jī)械開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性較差；磁敏感方式功耗過大，也容易受外磁場的影響；光學(xué)式和超聲式傳感器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，容易受外界干擾。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

普通電容式接近傳感器的敏感元件常常由印制電路板（PCB）上的銅箔構(gòu)成，其形狀必須根據(jù)用戶的具體應(yīng)用來設(shè)計(jì)。而為了實(shí)現(xiàn)即插即用，該新型傳感器試采用SOIC的封裝形式，將敏感結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路制作在同一芯片上、封裝在一起，以方便各類用戶使用。

由于小引腳數(shù)的塑料封裝IC（如SOIC-16）的成本主要取決于硅芯片的面積，因此最早的方案是利用SOIC的引線框架（leadframe）構(gòu)成敏感元件。與一般小尺寸敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中電極幾何結(jié)構(gòu)可以自由選取不同的是，引線框架必須能在IC封裝的全過程中為內(nèi)部的所有元件提供機(jī)械支撐。設(shè)計(jì)者利用 ANSOFT電磁場有限元分析軟件對(duì)若干設(shè)計(jì)方案進(jìn)行 分析，最后確定了如圖1所示的SOIC-16結(jié)構(gòu)，其連線與粘在方形板上的傳感器管芯鍵合。

設(shè)計(jì)者利用FR-4PCB制作了一個(gè)分立的元件進(jìn)行驗(yàn)證。測試結(jié)果證明計(jì)劃采用的小尺寸電容敏感結(jié)構(gòu)是有效的。此外還利用這一元件比較了固定頻率與頻譜擴(kuò)展兩種信號(hào)處理方法，結(jié)果表明，后者可以獲得很好的抗干擾性，但前者也可得到所需的性能，且實(shí)現(xiàn)起來要簡單得多。實(shí)驗(yàn)也暴露出引線框架結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要問題：一是傳感器對(duì)其下方和上方的物體都有敏感作用，這樣，用戶在設(shè)計(jì)PCB時(shí)會(huì)受到一些限制，而且電路板清洗過程殘留的導(dǎo)電性污物會(huì)影響傳感器的性能；二是它與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的封裝技術(shù)并兼容，而新式封裝工藝的開發(fā)將大大增加成本。因此設(shè)計(jì)者放棄了這種方案，轉(zhuǎn)而采用在集成電路（IC）硅片上制作金屬電極的辦法，見圖2。

新敏感結(jié)構(gòu)的電極被埋置在厚厚的一層環(huán)氧樹脂封裝劑下。原先的SOIC-16引線框架結(jié)構(gòu)方案中，電極到環(huán)氧樹脂表面的距離約中，電極到環(huán)氧樹脂表面的距離約為0.7mm，電極尺寸大致為2×4mm。在新方案中，電極是沉積在管芯上的，因而必須考慮管芯厚度，故環(huán)氧樹脂覆層的厚度約為0.3～0.5mm。由于電極尺寸對(duì)于要求達(dá)到的敏感距離來說很小，信號(hào)電路必須能分辨極小的電容變化（1～5fF，而1fF=10 -15F），而寄生電容高達(dá)50～100pF。為此，設(shè)計(jì)者運(yùn)用了非平衡式差動(dòng)檢測方法，使用了兩個(gè)獨(dú)立的電容耦合，一個(gè)用于敏感，另一個(gè)起到參考作用，并對(duì)其進(jìn)行比較。

圖3 示出了敏感結(jié)構(gòu)上方的電場分布示意圖。電極的結(jié)構(gòu)使得敏感電場（驅(qū)動(dòng)電極與敏感電極之間的邊緣電場）有相當(dāng)一部分超出IC封裝之外，而參考電容的電場主要限制在環(huán)氧樹脂層內(nèi)。這樣前者容易受到目標(biāo)物體的影響而發(fā)生變化，從而使敏感電容值發(fā)生變化，后者則幾乎不受外界物體的影響。在傳統(tǒng)的電容式接近傳感器中，采用參考電容的目的是糾正表面電導(dǎo)率因潮濕和玷污而增大帶來的影響。

當(dāng)一個(gè)電接地的導(dǎo)電體接近傳感器表面時(shí)，它對(duì)外部敏感電場的吸收遠(yuǎn)大于對(duì)參考電場的要吸收，因?yàn)閭鞲衅麟姌O與目標(biāo)物體的電容耦合極?。╢F量級(jí)），幾乎在任何一種宏觀物體的自電容者可以使之被看作是“接地的”。

信號(hào)處理電路

設(shè)計(jì)者在最終確定采用何種電路之前，對(duì)兩種信號(hào)處理電路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬評(píng)估：一種是典型的同步檢測器（鎖定放大器，lock-inamplifier）電路；另一種BFGoodrich公司為該傳感器專門開發(fā)的開關(guān)電容電路。前者用雙極型工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)可保證足夠的性能，而用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)現(xiàn)時(shí)則不能令人滿意。后者在敏感、參考和寄生電容之間進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)換操作，所得到的性能令人滿意，可以用現(xiàn)有的CMOS工藝方便地實(shí)現(xiàn)。