MEMS壓力傳感器原理與應用簡介銹鋼板

1、MEMS壓力傳感器原理與應用簡介銹鋼板主要內容主要內容 1.什么MEMS壓力傳感器 2.壓力傳感器的發(fā)展歷程 3.MEMS壓力傳感器原理與結構 3.1 硅壓阻式MEMS壓力傳感器 3.2 硅電容式MEMS壓力傳感 4.硅壓阻制造相關技術 5.MEMS壓力傳感器的應用 壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。（1）傳統(tǒng)的壓力傳感器為機械結構型的器件。 以彈性元件的形變指示壓力。（2）新型壓力傳感器以半導體為材料。 特點是體積小、質量輕、準確度高、溫 度特性好，向著微型化發(fā) 展，而且其功耗小、可靠性高。1.1.什么什么是壓力傳感器是壓力傳感器？2 2 壓力傳感器的發(fā)展歷程壓力傳感器的發(fā)展歷程（1）

2、發(fā)明階段（1945 - 1960 年） ：這個階段主要是以 1947 年雙極性晶體管的發(fā)明為標志。此后，半導體材料的這一特性得到較廣泛應用。史密斯（C.S. Smith） 與 1945 發(fā)現了硅與鍺的壓阻效應，即當有外力作用于半導體材料時，其電阻將明顯發(fā)生變化。依據此原理制成的壓力傳感器是把應變電阻片粘在金屬薄膜上， 即將力信號轉化為電信號進行測量。此階段最小尺寸大約為 1cm。（2） 技術發(fā)展階段 （1960 - 1970 年） ： 隨著硅擴散技術的發(fā)展， 技術人員在硅的 （001）或（110） 晶面選擇合適的晶向直接把應變電阻擴散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成較薄的硅彈性膜片，稱為硅

3、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， 實現了金屬- 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） ：在硅杯擴散理論的基礎上應用了硅的各向異性的腐蝕技術， 擴散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技術為主，發(fā)展成為可以自動控制硅膜厚度的硅各向異性加工技術，主要有 V 形槽法、濃硼自動中止法、陽極氧化法自動中止法和微機控制自動中止法。由于可以在多個表面同時進行腐蝕，數千個硅壓力膜可以同時生產，實現了集成化的工廠加工模式，成本進一步降低。 （4） 微機械加工階段（1980 年-） ：上世紀末出現的納

4、米技術，使得微機械加工工藝成為可能。通過微機械加工工藝可以由計算機控制加工出結構型的壓力傳感器，其線度可以控制在微米級范圍內。利用這一技術可以加工、蝕刻微米級的溝、條、膜，使得壓力傳感器進入了微米階段。3 MEMS3 MEMS壓力傳感器原理與結構壓力傳感器原理與結構目前的MEMS壓力傳感器 1.硅壓阻式壓力傳感器 2.硅電容式壓力傳感器兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器3.1 硅壓阻式壓力傳感器 Lord Kelvin在1856年首先發(fā)現材料的壓阻效應。 當導電材料受到變形或者是應變的時候,內部載流子改變運動狀態(tài),導致導電材料的電阻率(或電導率)發(fā)生改變,從而電阻的阻值就會發(fā)生相應的變化。

5、正是這種效應,為壓力等機械能和電能之間提供了一種簡單而直接的能量信號轉換機制。 橫截面積為A、長度為l的電阻,根據歐姆定理,其電阻阻值及可由下式給出: 壓阻式壓力傳感器通常使用硅材料制造，采用光刻、掩膜、擴散或離子注入等工藝，在單晶硅膜邊緣處制作4個電阻并連接成惠斯頓電橋結構。壓力傳感器工作原理示意圖 在實際工藝中，往往用“預淀積”+“再分布”的兩步擴散法。 第一步：在較低的溫度下進行短時間的恒定表面源擴散，擴散深度很淺，目的是控制進入硅片的雜質總量，稱（預淀積）。 第二步：以預擴散雜質分布作為摻雜源，高溫下進行有限表面源的推進擴散，使雜質向硅片內部推進，重新分布，通過控制擴散溫度和時間以獲得

6、預期的表面濃度和結深（分布），又稱“再分布”、主擴散。 作用：較好地解決了表面濃度、結深與擴散溫度、時間之間的矛盾。壓力傳感器的典型例子 把電阻置于彈性膜片邊緣處，目的是當彈性膜片受到壓力時，電阻受到的應力最大，從而壓敏電阻的阻值變化最大，提高靈敏度。4個電阻中的兩個平行于膜片邊緣，另外兩個垂直于膜片邊緣。理想情況下,當外界無壓力時,取R1=R2=R3=R4=R，電橋處于平衡態(tài)，傳感器芯片輸出電壓為零，基本無能量損耗，電橋輸出為： 當外界壓力使膜片發(fā)生形變時，惠斯頓電橋中四個電阻的變化相當，其中兩個電阻阻值變大，另外兩個電阻阻值減小，其關系為:R1= -R2=R3=-R4=R。 此時電橋輸出為

7、: Vo是無外界壓力時電橋的輸出。 硅壓阻式壓力傳感器結構如圖所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應力杯，其應力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的壓力傳感器。應力硅薄膜與真空腔接觸這一面經光刻生成電阻應變片電橋電路。當外面的壓力經引壓腔進入傳感器應力杯中，應力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個電阻應變片因此而發(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。 硅壓阻式壓力傳感器結構硅壓阻式壓力傳感器結構 周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結構的固有缺陷，而且能將電阻條、補償電路和信號調整電

8、路集成在一塊硅片上，甚至將微型處理器與傳感器集成在一起，制成智能傳感器。 這種傳感器的優(yōu)點是:頻率響應高(例如有的產品固有頻率達1.5兆赫以上)，適于動態(tài)測量。體積小（例如有的產品外徑可達0.25毫米），適于微型化；精度高，可達0.10.01%；靈敏高，比金屬應變計高出很多倍，有些應用場合可不加放大器；無活動部件，可靠性高，能工作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環(huán)境。其缺點是溫度影響較大（有時需進行溫度補償）、工藝較復雜和造價高等。3.2 硅電容式壓力傳感器v電容式傳感器的工作原理 優(yōu)點： 靈敏度高，功耗比壓阻式低，穩(wěn)定性好 缺點： 需要復雜的電路，容易引入雜散電容電容式傳感器基本類型：變極距

9、型、變面積型、變介電常數型。 (1)、變極距型電容傳感器 雙凹槽接觸式電容壓力傳感器DTMCPS (2)、變面積型電容傳感器 (3)、變介電常數型電容傳感器 硅電容式壓力傳感器利用MEMS技術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小。電容式壓力傳感器結構電容式壓力傳感器結構 4.4.硅壓阻制造相關技術硅壓阻制造相關技術生產的半自動化和自動化無應力的組裝技術雙面光刻工藝各向異性化學腐蝕離子注入技術壓阻芯片膜片制造硅壓阻制造硅壓阻制造相關技術相關技術 1.1.壓阻芯片壓阻芯片膜片制造膜片制造a

10、.工藝主要步驟：切磨拋硅片,氧化工藝, 外延工藝, 擴散技術b.常規(guī)工藝法：多晶硅膜片制造法;多晶硅固支硅杯制造法;外延硅膜片制造法2.2.離子注入技術離子注入技術a. 主要特性：電阻精度高 ，均勻性良好，溫度系數小b.可以良好的保證惠斯登電壓四個電阻等值, 特別是適合制造小型、超小型壓力傳感器c.現在可以制成壓敏電阻條尺寸為25.4x2.54x2微米3 3. .雙面光刻工藝雙面光刻工藝4.主要特性：a.進行硅杯腐蝕同時控制硅杯膜片厚度 b.腐蝕溶液要依據硅杯膜后的晶向來選擇各向異性各向異性化腐蝕技術化腐蝕技術a.工藝流程：將硅片兩面同時勻膠前烘兩面曝光堅膜顯影和腐蝕b. 主要特性：簡化工序、

11、節(jié)省材料、提高效率、降低成本5.5.無應力的組裝技術無應力的組裝技術a.主要特性：性能穩(wěn)定、可靠性高、適合各種壓力測量b.技術關鍵：保證組裝結構無殘余應力 選擇與硅片材料熱膨脹系數相同的材料c.核心技術：1.靜電封裝和燒結來熔接硅芯片 2.不誘鋼管殼和電子束焊接來密封6.生產的半自動化和自動化生產的半自動化和自動化自動控制擴散爐自動光刻機5 MEMS壓力傳感器的應用 汽車電子：如TPMS、發(fā)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動機進氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機共軌壓力傳感器； 消費電子：如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓

12、力傳感器，空調壓力傳感器，洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器； 工業(yè)電子：如數字壓力表、數字流量表、工業(yè)配料稱重等。 在計量部門，汽車工業(yè)，航空，石油開采，家電產品，醫(yī)療儀器中應用廣泛，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管芯封裝在一個封裝內（MCM），使產品設計師很容易使用這個高度集成的產品設計最終產品。圖圖7 各種壓力傳感器產品各種壓力傳感器產品 汽車無疑是MEMS壓力傳感器最大的市場。一輛高端的汽車一般都會有上百個傳感器，包括 3050 個 MEMS 傳感器，其中就有十個左右的壓力傳感器。放眼眾多種類的壓力傳感器的應用和市場前景，

13、在輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitor System，TPMS）中應用的壓力傳感器，則是未來市場中最看好的部分。安全氣囊 安全氣囊一般由傳感器(sensor)、電控單元(ECU)、氣體發(fā)生器(inflator)、氣囊(bag)、續(xù)流器(clockspring)等組成。 傳感器感受汽車碰撞強度，并將感受到的信號傳送到控制器，控制器接收傳感器的信號并進行處理。 安全氣囊最重要的指標是可靠性。為了監(jiān)測傳感器、電子電路、氣體發(fā)生器；系統(tǒng)一般還有故障診斷模塊、并設有信號燈于予以顯示。 汽車安全氣囊系統(tǒng)系統(tǒng)一般有左右擋板傳感器各一個，還有一個傳感器放在含有診斷模塊的控制器中。當發(fā)生前面碰撞時，兩個擋板傳感器中只要有一個閉合，診斷模塊就會根據送來的信號進行處理和判斷，認為有必要點火后時即發(fā)出點火信號使氣囊充氣。碰撞傳感器 對于各汽車制造廠生產的車輛，碰撞傳感器的安裝位置不盡相同，而且碰撞傳感器的名稱也不統(tǒng)一，例如有些碰撞傳感器按照工作原理也稱為加速度傳感器。按照用途的不同： 碰撞傳感器分為觸發(fā)碰撞傳感器和防護碰撞傳感器。按照結構的不同： 碰撞傳感器分為機電式碰撞傳感器、電子式碰撞傳感器以及機械式碰撞傳感器。對于早期的汽車： 一般設有多個觸發(fā)碰撞傳感器，安裝位置一般在車身的前部和中部。國內外主要供應商