MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用簡(jiǎn)介

1、MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用壓力傳感器原理與應(yīng)用 1410322119 張官濤主要內(nèi)容主要內(nèi)容v1.什么MEMS壓力傳感器v2.壓力傳感器的發(fā)展歷程v3.MEMS壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu) 3.1 硅壓阻式MEMS壓力傳感器 3.2 硅電容式MEMS壓力傳感v4.MEMS壓力傳感器的應(yīng)用 1 什么是什么是MEMS壓力傳感器壓力傳感器vMEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型器件或系統(tǒng)。vMEMS壓力傳感器可以用類似集成電路（IC）設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝，進(jìn)行高精度、低成本的大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械量壓力傳感器是基于金屬?gòu)椥泽w受力變形，

2、由機(jī)械量彈性變形到電量轉(zhuǎn)換輸出，因此它不可能如MEMS壓力傳感器那樣做得像IC那么微小，成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MEMS壓力傳感器。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過(guò)1cm，使性價(jià)比相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高。 2 壓力傳感器的發(fā)展歷程（1） 發(fā)明階段（1945 - 1960 年） ：這個(gè)階段主要是以1947 年雙極性晶體管的發(fā)明為標(biāo)志。此后，半導(dǎo)體材料的這一特性得到較廣泛應(yīng)用。史密斯（C.S. Smith） 與 1945 發(fā)現(xiàn)了硅與鍺的壓阻效應(yīng)，即當(dāng)有外力作用于半導(dǎo)體材料時(shí)，其電阻將明顯發(fā)生變化。依據(jù)此原理制成的壓力傳感器是把應(yīng)變電阻片粘在金屬薄膜上， 即將

3、力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。此階段最小尺寸大約為 1cm。（2）技術(shù)發(fā)展階段 （1960 - 1970 年）： 隨著硅擴(kuò)散技術(shù)的發(fā)展， 技術(shù)人員在硅的 （001）或（110） 晶面選擇合適的晶向直接把應(yīng)變電阻擴(kuò)散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成較薄的硅彈性膜片，稱為硅杯。這種形式的硅杯傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)了金屬- 硅共晶體， 為商業(yè)化發(fā)展提供了可能。（3） 商業(yè)化集成加工階段（1970 - 1980 年） ：在硅杯擴(kuò)散理論的基礎(chǔ)上應(yīng)用了硅的各向異性的腐蝕技術(shù)，擴(kuò)散硅傳感器其加工工藝以硅的各項(xiàng)異性腐蝕技術(shù)為主，發(fā)展成為可以自動(dòng)控制硅膜

4、厚度的硅各向異性加工技術(shù)，主要有 V 形槽法、濃硼自動(dòng)中止法、陽(yáng)極氧化法自動(dòng)中止法和微機(jī)控制自動(dòng)中止法。由于可以在多個(gè)表面同時(shí)進(jìn)行腐蝕，數(shù)千個(gè)硅壓力膜可以同時(shí)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了集成化的工廠加工模式，成本進(jìn)一步降低。（4） 微機(jī)械加工階段（1980 年-） ：上世紀(jì)末出現(xiàn)的納米技術(shù)，使得微機(jī)械加工工藝成為可能。通過(guò)微機(jī)械加工工藝可以由計(jì)算機(jī)控制加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器，其線度可以控制在微米級(jí)范圍內(nèi)。利用這一技術(shù)可以加工、蝕刻微米級(jí)的溝、條、膜，使得壓力傳感器進(jìn)入了微米階段。3 MEMS壓力傳感器原理壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu)v目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上

5、生成的微機(jī)械電子傳感器。 半導(dǎo)體受力時(shí)，電阻率發(fā)生變化，電阻率隨應(yīng)力變半導(dǎo)體受力時(shí)，電阻率發(fā)生變化，電阻率隨應(yīng)力變化的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的變化的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的變化主要是電阻率變化引起的，表示為化主要是電阻率變化引起的，表示為 v v由于彈性系數(shù)由于彈性系數(shù)E=/E=/， 上式又可寫(xiě)為上式又可寫(xiě)為 為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。 3.1 硅壓阻式壓力傳感器硅壓阻式壓力傳感器 硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路的，具有較高的測(cè)量精度、較低的功耗，極低的成

6、本。由惠斯頓電橋組成的壓阻式傳感器，如無(wú)壓力變化，其輸出為零。 其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2。 圖圖1 惠斯頓電橋電原理惠斯頓電橋電原理 MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度能達(dá)0.01%0.03%FS。圖圖2 應(yīng)變片電橋的光刻版本應(yīng)變片電橋的光刻版本 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典

7、型的壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖2的電阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)電阻應(yīng)變片因此而發(fā)生電阻變化，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。圖4是封裝IC的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。 圖圖3 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 圖圖4 硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物 v電容式傳感器的工作原理 v電容式傳感器有三種基本類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。 (1)、變極距型電容傳感器 3.2 硅電容式壓力傳感器硅電容式壓力傳感器 (2)、

8、變面積型電容傳感器 (3)、變介電常數(shù)型電容傳感器 硅電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫隔柵狀，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器，上橫隔柵受壓力作用向下位移，改變了上下二根橫隔柵的間距，也就改變了板間電容量的大?。▓D5）。電容式壓力傳感器實(shí)物如圖6。 圖圖5 電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 圖圖6 電容式壓力傳感器實(shí)物電容式壓力傳感器實(shí)物 4 MEMS壓力傳感器的應(yīng)用 v MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子：如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器；消費(fèi)電子：如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥

9、用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調(diào)壓力傳感器，洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽(yáng)能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業(yè)電子：如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。 在計(jì)量部門，汽車工業(yè)，航空，石油開(kāi)采，家電產(chǎn)品，醫(yī)療儀器中應(yīng)用廣泛，如下表所示。如圖7所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個(gè)封裝內(nèi)（MCM），使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很容易使用這個(gè)高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品。圖圖7 各種壓力傳感器產(chǎn)品各種壓力傳感器產(chǎn)品 汽車無(wú)疑是MEMS壓力傳感器最大的市場(chǎng)。一輛高端的汽車一般都會(huì)有上百個(gè)傳感器，包括 3050 個(gè) MEMS 傳感器，其中就有十個(gè)左右的壓力傳感器。放眼眾多種類的壓力傳感器的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，在輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitor System，TPMS）中應(yīng)用的壓力傳感器，則是未來(lái)市場(chǎng)中最看好的部分。國(guó)內(nèi)外主要供應(yīng)商v1) 意法半導(dǎo)體（STM） v2) 博世（bosch）v3) 飛思卡爾（freescale） v4) 敏芯微電子技術(shù)有限公司 v5) 北京青鳥(niǎo)元芯微系統(tǒng)