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(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、改動或摔打過的手段，它應(yīng)該滿足功耗低、可靠性高、不易損壞和價格低廉（低于1美元）等要求。該產(chǎn)品應(yīng)始終保持對突發(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)計者的要求。例如，機械開關(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。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(jié)構(gòu)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(gòu)成敏感元件。與一般小尺寸敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計中電極幾何結(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械支撐。設(shè)計者利用ansoft電磁場有限元分析軟件對若干設(shè)計方案進(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)計者利用fr-4pcb制作了一個分立的元件進(jìn)行驗證。測試結(jié)果證明計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，且實現(xiàn)起來要簡單得多。實驗也暴露出引線框架結(jié)構(gòu)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(shè)計pcb時會受到一些限制，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。由于電極尺寸對于要求達(dá)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(dá)50～100pf。為此，設(shè)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(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)