MEMS压力传感器

MEMS压力传感器姓名：邵琪学号：2013020907021摘要MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。本文对MEMS压力传感器简要阐述,包括原理、应用情况以及国内外最新研究方向进行简要介绍。最后，对MEMS传感器发展趋势进行了展望。关键词:微电子机械系统(MEMS)；传感器；压力传感器0.引言MEMS全称MicroElectromechanicalSystem，微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS器件的一个重要分支。1.MEMS压力传感器概述压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的MEMS传感器,其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。从信号检测方式划分,MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等;从敏感膜结构划分,可分为圆形、方形、矩形和E形等。MEMS压力传感器可以用类似集成电路（IC）设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。2.原理目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。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。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。由惠斯顿电桥组成的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装IC的硅压阻式压力传感器实物照片。硅电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小（图5）。电容式压力传感器实物如图6。3.应用领域MEMS压力传感器可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域。汽车工业采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。在生物和医学领域,压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。在航天领域,MEMS压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量。4.研究方向极端环境下的压力测量是石化生产、航空航天和汽车电子等领域必须突破和掌握的基础科学技术之一。恶劣环境通常包括热侵蚀,主要指高温环境;机械侵蚀,主要指高负载、振动和冲击等;化学侵蚀,主要指有腐蚀媒介的环境等。硅压阻式压力传感器受p-n结耐温限制,超过120°C时，传感器的性能会严重退化甚至失效；在600°C时会发生塑性变形和电流泄漏,远不能满足航空航天和石油化工等领域高温环境下的压力测量。为满足对极端环境下压力测量的迫切要求,国内外开展了恶劣环境用压力传感器的研究。各研究机构的研究材料各不相同,其中SiC材料、SOI材料、金刚石和光纤等新型压力传感器已成为国内外研究的重点。利用光纤传感技术实现温度、压力多参数组合测量是MEMS传感器发展的重要方向之一。随着新型半导体材料和MEMS加工工艺、敏感元件集成设计和传感器结构设计的不断突破,新型MEMS压力传感器不断推出。开发新型材料用于制作恶劣环境下的MEMS压力传感器是今后的重要研究内容。5.结语进入21世纪以来,MEMS传感器技术发展迅速,新原理、新材料和新技术的研究不断深入，MEMS传感器的新产品不断涌现。目前,MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。借助新型材料,如SiC、蓝宝石、金刚石及SOI开发出的各种新型高可靠MEMS传感器,如温度传感器、气体传感器和压力传感器具有耐高温、耐腐蚀和防辐照等性能,进一步提高了MEMS传感器的精度和可靠性。纳米管、纳米线、纳米光纤、光导、超导和智能材料也将成为制作纳米传感器的材料。新的加工技术,如先进的MEMS制作和组装技术使MEMS传感器体积更小、功耗更低且性能更高,如具有耐振动和抗冲击的能力。利用专门的集成设计和工艺,如与CMOS兼容的MEMS加工技术和芯片上集成系统(SoC)技术可把构成传感器的敏感元件和电路元件制作在同一芯片上,能够完成信号检测和信号处理,构成功能强大的智能传感器,满足传感器微型化和集成化的要求。传感器集成化是实现传感器小型化、智能化和多功能的重要保证。MEMS传感器一直是研究的热点和重点,是各国大力发展的核心和前沿技术,引起了各国研究机构、大学和公司的高度重视,欧美和日本等国显示出了明显的领先优势。国内的一些高校和研究机构已着手MEMS传感器技术的开发和研究,但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外相比还存在较大差距。许多MEMS传感器品种尚未具备批量生产的能力,离产品的实用化和产业化还很远,有待于进一步提高和完善。参考文献[1]王淑华,MEMS传感器现状及应用，微纳电子技术，2011年8月第48卷第8期。[2]射频世界,微电机械系统MEMS在传感技术上的应用介绍，RFID射频世界，2010年第6期[3]戴福彦,张卫平,陈文元,刘凯,马高印,肖奇军,张忠榕,MEMS微电机综述，微电机，2009年第42卷第8期[4]高峰，MEMS压力传感器原理与应用，=view，2011年5月