论文总字数：28796字

目 录

1 绪论 1

1.1传感器与MEMS技术 1

1.2国内外发展状况 3

1.2.1压力传感器发展历史 3

1.2.2 MEMS压力传感器发展现状 3

1.3本课题的设计任务及内容安排 4

2 恒温控制气压传感器总体设计 5

2.1压阻式压力传感器设计与制作 5

2.1.1压阻式传感器工作原理和性能指标 5

2.1.2压阻式压力传感器的结构设计 7

2.1.3压阻式压力传感器芯片制作 8

2.2恒温控制装置设计 10

2.2.1压阻式压力传感器的温度特性 10

2.2.2 PID恒温控制 11

2.3本章小结 13

3 恒温控制气压传感器硬件设计 13

3.1硬件系统总体设计 13

3.2电源管理模块设计 13

3.3压力传感器驱动电路设计 14

3.4模数转换电路设计 15

3.5 STM32F407最小系统与下载模式设计 15

3.5.1 STM32F407最小系统设计 15

3.5.2 STM32F407下载模式设计 16

3.6测温模块设计 17

3.7显示电路设计 17

3.8 PCB布局设计 18

3.9本章小结 19

4 恒温控制气压传感器软件设计 19

4.1单片机整体流程设计 19

4.2 STM32开发环境介绍 20

4.3 STM32内部模块软件设计 20

4.3.1 A/D数据采集子程序 20

4.3.2 PID调节子程序 23

4.3.3显示子程序 24

4.4本章小结 25

5 实验测试结果及数据分析 25

5.1恒温系统测试 26

5.2压力传感器数据标定 27

5.3本章小结 30

6 总结与展望 30

6.1总结 30

6.2展望 30

参考文献 31

致 谢 33

带恒温控制功能的气压传感器设计与研究

包志伟

, China

Abstract：With the improvement of MEMS technology, the market demands more and more sensors. Because the temperature has a serious impact on the accuracy of the sensor, a kind of piezoresistive pressure sensor with constant temperature control function is designed in order to eliminate the influence of temperature on the sensor application. Firstly, the size of the piezoresistive pressure sensor and the material characteristic parameters are determined, and then the sensor chip is manufactured and packaged according to the process flow. Finally, the basic parameter information of the sensor is measured and analyzed. This design takes STM32 as the control core, uses the AD7794 to collect the signal, joins the temperature detection module to monitor the temperature in real time, uses the PID algorithm to control the temperature and makes the whole system in the constant temperature state through the heating piece, and finally shows the results on the TFT-LCD display screen. The experimental results show that the sensitivity of the sensor is basically unchanged when the system reaches a constant temperature of 50°C, and the output voltage is linearly related to the air pressure, showing a good performance.

Key words：Piezoresistive pressure sensor；chip manufacturing；STM32 micro controler ；PID algorithm; constant temperature control

1 绪论

1.1传感器与MEMS技术

随着高新技术的发展，世界迈入信息化的进程。解决如何准确的获取准确可靠的信息是利用信息的首要问题，而传感器是获取自然领域中信息的主要手段和途径。随着科技的进步，为了满足人们对未知世界的不断探索，传感器发生了巨大的变化。目前，传感器已经融入到众多领域，如图1-1所示,如宇宙开发，环境保护，健康管理，工业生产，生物工程，海洋探测，文物保护等。

图1-1传感器应用于各领域的示意图

毫不夸张的说，几乎每一个现代化项目都离不开各式各样的传感器。传感器应用早期，人们大多采用单一功能传感器来测量相对应的压力，温度，热量，位移等信息，随着系统复杂性的提高，规模的不断扩大，传感器所需要探测的信息量不断的增多，受到空间和成本的影响，“复合”传感器应运而生。早期的复合传感器把不同功能的传感器进行叠加以此来减小体积降低成本。然而，随着微纳米技术的发展，功能上集成的复合传感器投入大规模的应用。21世纪的传感器正在朝着集成化、多功能化和智能化的趋势发展。令人遗憾的是，目前我国的中高端传感器大多依赖从外国进口，尤其是在微型传感器芯片进口方面。由此可见我国微型传感器的发展还有很长的一段路要走。

如图1-2所示，传感器是一种检测装置，能够将感受到的信息（光、热、温度、湿度等）以一定的规律变换为电信号或其他形式的信号输出，以满足信息的检测，传输，处理，存储，显示，记忆和控制的需要。目前，传感器在物联网的发展中起着越来越重要的作用。传感器的基本感知功能有光敏元件、湿敏元件、热敏元件、声敏元件、力敏元件等。按用途传感器可分为力敏传感器、速度传感器、热敏传感器、能耗传感器等。传感器具有微型化、智能化、数字化、网络化、系统化、多功能化的特点^[1]。

图1-2 MEMS系统连接图以及其外部系统连接图

MEMS（Micro Electromechanical System），微机电系统，是一种独立智能的高科技传感执行装置，其尺寸在几毫米乃至更小，内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS技术主要由传感器，执行器和微能源三大部分组成。从20世纪80年代起，MEMS技术迅速发展，符合社会需要的MEMS传感器得到了快速的发展，并最早在用于军用、工业、航空等行业。MEMS传感器作为当今最广泛应用的MEMS器件之一，与传统的传感器相比，其具有重量轻，体积小，功耗低，精度高，响应快，成本低等特点。目前MEMS传感器已经广泛的应用于人们的生活当中^[2]。

MEMS传感器可以测量气压、湿度、温度、加速度、角速率等与物理生物相关的参数。常见的MEMS传感器主要包括电容式压力传感器，谐振式压力传感器，压阻式压力传感器，实物图如图1-3所示^[3-5]。

（a）电容式压力传感器 （b）谐振式压力传感器

（c）压阻式压力传感器

图1-3 三种不同工作原理的MEMS压力传感器

电容式压力传感器的工作原理是利用电容敏感元件将被测的压力按照一定关系转换成电容量输出的压力传感器。电容式压力传感器的优点在于测量精度高，但是由于电容是非线性元件，所以测量时的非线性误差比较严重。谐振式压力传感器利用谐振元件将被测的压力转换为频率信号。谐振式压力传感器精度非常高但谐振式的加工工艺非常复杂并且价格非常昂贵。压阻式压力传感器是根据单晶硅的压阻效应制得而成的。压阻式压力传感器与电容式压力传感器和谐振式压力传感器相比，虽然测量精度因受温度影响而稍低，但压阻式压力传感器的成本非常低，可以投入批量生产，目前市场上大多采用压阻式压力传感器。压力传感器作为测量压力参数的主要仪器，目前压阻式压力传感器在航空，化工，石油等部门的科研与生产中起着至关重要的作用。压阻式压力传感器一般是利用MEMS技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥，利用惠斯登电桥桥臂的输出电压与施加压力成正比，根据输出电压的大小反映压力的大小，具有体积小，精度较高、成本低廉等特点。

1.2国内外发展状况

1.2.1压力传感器发展历史

半导体传感器的发明是现代压力传感器发展的标志。其中压阻式压力传感器的发展历程可分为四个阶段，（1）发明阶段（1945-1960年）：这个阶段主要以双极性晶体管的发明为标志。C.S.Smith在1945年发现硅与锗的压阻效应，即当半导体材料受到外力作用时电阻会发生明显变化，所制成的压阻式压力传感器将力信号转换成电信号进行测量，此阶段的最小尺寸约为1cm。（2）技术发展阶段（1960-1970年）随着硅扩散技术的升级，硅杯传感器得到了发展。硅杯传感器具有重量轻、体积小、成本低、灵敏度高、稳定性好、便于集成化的优点，为商业化的发展提供了机会。（3）商业化集成加工阶段（1970-1980年）运用了硅的各向异性的腐蚀技术进一步拓展了硅杯扩散理论。主要有浓硼自动中止法，V形槽法，微机控制自动中止法和阳极氧化法自动中止法，让集成化的加工模式成为了可能，成本也得到了降低。（4）微机械加工阶段（1980年-今）：微机械加工工艺由于微纳米技术的发展也走上舞台。微机械加工工艺通过计算机控制加工出结构性的传感器，限度控制在微米级范围内，压力传感器进入微纳米阶段^[6]。

1.2.2 MEMS压力传感器发展现状

MEMS 传感器的发展以20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计为开端。硅压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，其工艺成熟，尺寸较小，且性能优异，性价比较高。2010年12月，意法半导体公司创新的采用MEMS 制造技术开发出MEMS压阻式压力传感器LPS001WP。该压阻式压力传感器通过覆盖气腔上的柔性硅薄膜来检测压力变化。2009年3月慕尼黑上海电子展上，爱普科斯公司推出了封装较小，用于测量大气压力的MEMS压阻式传感器 T5000/ABS1200E，尺寸约为117mm×117mm×0.9mm。美国 Kulite 传感器公司通过采用6H-SiC新型材料开发出了了压阻式压力传感器，最高可在600 ℃的高温下工作，供电电压为5V^[7]。

我国对MEMS技术也很重视，从1989年开始立项研究MEMS产业化。特别是十五计划将MEMS技术列入到863重大专项，每年国家有十几亿元投入到MEMS技术发展中。到目前为止，国内的MEMS研发机构较多，例如49所、13所，包括沈阳工艺研究所等，同时各大高校也加入了进来，诸如清华大学、北京大学、东南大学、重庆大学、等建立了自己的MEMS研究实验室。建设微米纳米城也是我国MEMS发展的计划之一，在无锡物联网中心建立了MEMS研发平台。

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