微型傳感器家族新成員-微型接近傳感器

利用MEMS（Micro Electromechanical System，微機電系統(tǒng)）技術制作的微型傳感是近年來傳翕器發(fā)展的主流之一，特點是體積小、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體業(yè)較為成熟的工藝，能實現(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）、溫度、光學（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品提供一種檢測其是否被移動、改動或摔打過的手段，它應該滿足功耗低、可靠性高、不易損壞和價格低廉（低于1美元）等要求。該產品應始終保持對突發(fā)干擾作出響應的能力，即使用戶產品數(shù)年口未受任何干擾。有鑒于此，設計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、光學式、超聲式和電容式等。電容式接近傳感器的敏感元件由導電極板系統(tǒng)組成，可被視為一個或一組電容，附近出現(xiàn)或經過的導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，電容式傳感器的結構較為簡單，工作阻抗高（10kHz時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展載波調制技術，可以使之不受寄存或有意的干擾影響。其他方案則很難達到設計者的要求。例如，機械開關的穩(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；光學式和超聲式傳感器的結構較為復雜，容易受外界干擾。

結構設計與工作原理

普通電容式接近傳感器的敏感元件常常由印制電路板（PCB）上的銅箔構成，其形狀必須根據(jù)用戶的具體應用來設計。而為了實現(xiàn)即插即用，該新型傳感器試采用SOIC的封裝形式，將敏感結構和信號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）構成敏感元件。與一般小尺寸敏感結構設計中電極幾何結構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部的所有元件提供機械支撐。設計者利用 ANSOFT電磁場有限元分析軟件對若干設計方案進行 分析，最后確定了如圖1所示的SOIC-16結構，其連線與粘在方形板上的傳感器管芯鍵合。

設計者利用FR-4PCB制作了一個分立的元件進行驗證。測試結果證明計劃采用的小尺寸電容敏感結構是有效的。此外還利用這一元件比較了固定頻率與頻譜擴展兩種信號處理方法，結果表明，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，且實現(xiàn)起來要簡單得多。實驗也暴露出引線框架結構的兩個主要問題：一是傳感器對其下方和上方的物體都有敏感作用，這樣，用戶在設計PCB時會受到一些限制，而且電路板清洗過程殘留的導電性污物會影響傳感器的性能；二是它與現(xiàn)有標準的封裝技術并兼容，而新式封裝工藝的開發(fā)將大大增加成本。因此設計者放棄了這種方案，轉而采用在集成電路（IC）硅片上制作金屬電極的辦法，見圖2。

新敏感結構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引線框架結構方案中，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。由于電極尺寸對于要求達到的敏感距離來說很小，信號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50～100pF。為此，設計者運用了非平衡式差動檢測方法，使用了兩個獨立的電容耦合，一個用于敏感，另一個起到參考作用，并對其進行比較。

圖3 示出了敏感結構上方的電場分布示意圖。電極的結構使得敏感電場（驅動電極與敏感電極之間的邊緣電場）有相當一部分超出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。這樣前者容易受到目標物體的影響而發(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率因潮濕和玷污而增大帶來的影響。

當一個電接地的導電體接近傳感器表面時，它對外部敏感電場的吸收遠大于對參考電場的要吸收，因為傳感器電極與目標物體的電容耦合極?。╢F量級），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”。

信號處理電路

設計者在最終確定采用何種電路之前，對兩種信號處理電路的結構進行了模擬評估：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)的開關電容電路。前者用雙極型工藝實現(xiàn)對可保證足夠的性能，而用CMOS工藝實現(xiàn)現(xiàn)時則不能令人滿意。后者在敏感、參考和寄生電容之間進行電荷轉換操作，所得到的性能令人滿意，可以用現(xiàn)有的CMOS工藝方便地實現(xiàn)。