0 引 言
壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器,。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機械結(jié)構(gòu)型的器件為主,，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大,、質(zhì)量輕,，不能提供電學輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運而生,。其特點是體積小、質(zhì)量輕,、準確度高,、溫度特性好。特別是隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展,，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展,，而且其功耗小、可靠性高,。
高溫壓力傳感器是為了解決在高溫環(huán)境下對各種氣體,、液體的壓力進行測量。主要用于測量鍋爐,、管道,、高溫反應(yīng)容器內(nèi)的壓力、井下壓力和各種發(fā)動機腔體內(nèi)的壓力,、高溫油品液位與檢測,、油井測壓等領(lǐng)域。目前，研究比較多的高溫壓力傳感器主要有SOS ,，SOI ,，SiO2 ， Poly2Si 等半導(dǎo)體傳感器,，還有濺射合金薄膜高溫壓力傳感器,、高溫光纖壓力傳感器和高溫電容式壓力傳感器等。半導(dǎo)體電容式壓力傳感器相比壓阻式壓力傳感器其靈敏度高,、溫度穩(wěn)定性好,、功耗小，且只對壓力敏感,，對應(yīng)力不敏感,，因此，電容式壓力傳感器在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。
1 器件的基本組成及制作工藝
硅電容式壓力傳感器的敏感元件是半導(dǎo)體薄膜,，它可以由單晶硅、多晶硅等利用半導(dǎo)體工藝制作而成,。典型的電容式傳感器由上下電極,、絕緣體和襯底構(gòu)成。當薄膜受壓力作用時,，薄膜會發(fā)生一定的變形,，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化,，從而使電容發(fā)生變化,。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線性關(guān)系，因此,，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償,。由于高溫壓力傳感器工作在高溫環(huán)境下，補償電路會受到環(huán)境溫度的影響,，從而產(chǎn)生較大的誤差,。基于模型識別的高溫壓力傳感器,，正是為了避免補償電路在高溫環(huán)境下工作產(chǎn)生較大誤差而設(shè)計的，其設(shè)計方案是把傳感器件與放大電路分離,，通過模型識別來得到所測環(huán)境的壓力,。高溫工作區(qū)溫度可達350 ℃。傳感器件由鉑電阻和電容式壓力傳感器構(gòu)成,。其MEMS 工藝如下：
高溫壓力傳感器由硅膜片,、襯底、下電極和絕緣層構(gòu)成。其中下電極位于厚支撐的襯底上,。電極上蒸鍍一層絕緣層,。硅膜片則是利用各向異性腐蝕技術(shù)，在一片硅片上從正反面腐蝕形成的,。上下電極的間隙由硅片的腐蝕深度決定,。硅膜片和襯底利用鍵合技術(shù)鍵合在一起，形成具有一定穩(wěn)定性的硅膜片電容壓力傳感器［2］ ,。由于鉑電阻耐高溫,，且對溫度敏感，選用鉑電阻,，既可以當普通電阻使用,，又可以作為溫度傳感器用以探測被測環(huán)境的溫度。金屬鉑電阻和硅膜片的參數(shù)為：0 ℃時鉑電阻值為1 000Ω;電阻率為1. 052 631 6 ×10 - 5Ω·cm;密度為21 440 kg/ m3 ;比熱為132. 51 J/ （kg·K） ,、熔斷溫度為1 769 ℃,，故鉑電阻可加工為寬度為0. 02 mm;厚度為0. 2μm;總長度為3 800μm，制作成鋸齒狀,，可在幅值為10 V 的階躍信號下正常工作,。電容式壓力傳感器的上下電極的間隙為3μm、圓形平板電容上下電極的半徑為73μm,、其電容值為50 pF,。具體工藝流程圖如圖1所示。
2 基于識別技術(shù)的模型及其仿真
對于一個系統(tǒng),，其方程式為
UO （ s） = G（ s） Ui （ s） ,，
其中 UO （ s） 和Ui （ s） 分別為輸出和輸入信號，當輸出,、輸入信號及系統(tǒng)的階數(shù)已知,，可以通過計算機按一定的準則來識別G （ s） 的模型參數(shù)，為模型識別,。本文主要闡述應(yīng)用模型識別的方法來確定處于高溫環(huán)境下的電容式壓力傳感器的電容值,。
2. 1 電路模型
基本電路是由一個金屬鉑電阻和一個電阻式高溫壓力傳感器構(gòu)成（如圖2） 。
金屬鉑電阻對溫度變化敏感,，若選用零度時電阻值為1 000Ω,、溫度系數(shù)為3 851 ×10 - 6/ ℃的鉑電阻，其溫度變化范圍從- 50～350 ℃時,，相應(yīng)的電阻從803. 07～2 296. 73Ω,。由電阻的變化可測得環(huán)境的溫度。壓力傳感器在不同壓力下有不同的電容值,，因此,，在同一溫度下,，輸入同一交流電壓信號時，其輸出信號不同,。
2. 2 系統(tǒng)在時域范圍的算法
圖2 電路所示的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
式中 UO 為輸出信號; Ui 為輸入信號; R 為電阻;C 為電容; t 為時間,。
利用MATLAB 繪制單位階躍響應(yīng)曲線如圖3。
從圖3 中可看出,，該系統(tǒng)穩(wěn)定,、無振動。響應(yīng)曲線的斜率為：
對式（2） 進行變換得
從式（3） 得,，以lg［1 - UO （ t ） ］為縱坐標,， t 為橫坐標，可得出通過原點直線,，從直線的斜率可求得常數(shù)RC 的值,，已知R 則可得出C ，從而得出壓力,。
2. 3 模型識別
基于上述思想,，若已知輸入、輸出信號,， 可通過曲線擬合及線性回歸法得出RC,。對式（3） 進行擬合，在擬合過程中,， 加入一定的白噪聲,。若R = 1000 Ω，電容C = 50 p F ,，則擬合曲線如圖4 所示,。
擬合參數(shù)最大時為5. 037 ×10 - 8 ，最大相對誤差為0. 78 %,。當溫度變化時,，金屬鉑電阻值發(fā)生變化，在不同的溫度下擬合的電容值和溫度的關(guān)系如表1 所示（加入1 %的白噪聲） ,。
從表1 可見,，擬合的電容誤差小于1 %。由此可見,，在不同的時刻測得UO （ t） ,，通過曲線擬合得出參數(shù)RC。再給電路加小信號直流電源,，測出R 值,，即求得C ，通過C 值則可知被測環(huán)境的壓力,。圖5為350 ℃時，不同的壓力所對應(yīng)的電容的理論值和實驗值，從實驗數(shù)據(jù)（表2） 可得,，在測壓的過程中,，利用模型識別的方法，誤差較小,，其測壓誤差小于2 %,。
3 結(jié)束語
基于模型識別技術(shù)的高溫微型壓力傳感器電路簡單,、工藝成本較低、體積小,、可批量生產(chǎn),、準確度高。該傳感器避免了電阻式高溫壓力傳感器的自補償電路在高溫環(huán)境下工作時熱靈敏度漂移引起的誤差,，也避免了其它電容式高溫壓力傳感器非線性補償電路在高溫環(huán)境下工作,。該傳感器適合在各種高溫環(huán)境下測量氣體或液體的壓力。