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MEMS压力传感器原理与应用1410322119张官涛主要内容1.什么MEMS压力传感器2.压力传感器的发展历程3.MEMS压力传感器原理与结构3.1硅压阻式MEMS压力传感器3.2硅电容式MEMS压力传感4.MEMS压力传感器的应用1什么是MEMS压力传感器MEMS（微机电系统）是指集微型机构、微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型器件或系统。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压力传感器的发展历程（1）发明阶段（1945-1960年）：这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯（C.S.Smith）与1945发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。（2）技术发展阶段（1960-1970年）：随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的（001）或（110）晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能。（3）商业化集成加工阶段（1970-1980年）：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。（4）微机械加工阶段（1980年-）：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器，其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。3MEMS压力传感器原理与结构目前的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。半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化的关系称为半导体压阻效应。半导体应变片电阻的变化主要是电阻率变化引起的，表示为由于弹性系数E=σ/ε，上式又可写为为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的。3.1硅压阻式压力传感器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。图1惠斯顿电桥电原理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。图2应变片电桥的光刻版本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。图3硅压阻式压力传感器结构图4硅压阻式压力传感器实物电容式传感器的工作原理电容式传感器有三种基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。(1)、变极距型电容传感器3.2硅电容式压力传感器(2)、变面积型电容传感器(3)、变介电常数型电容传感器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。图5电容式压力传感器结构图6电容式压力传感器实物4MEMS压力传感器的应用MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。在计量部门，汽车工业，航空，石油开采，家电产品，医疗仪器中应用广泛，如下表所示。如图7所示。MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内（MCM），使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。图7各种压力传感器产品汽车无疑是MEMS压力传感器最大的市场。一辆高端的汽车一般都会有上百个传感器，包括30~50个MEMS传感器，其中就有十个左右的压力传感器。放眼众多种类的压力传感器的应用和市场前景，在轮胎压力监测系统（TirePressureMonitorSystem，TPMS）中应用的压力传感器，则是未来市场中最看好的部分。国内外主要供应商1)意法半导体（STM）2)博世（bosch）3)飞思卡尔（freescale）4)敏芯微电子技术有限公司5)北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司结束语当前,MEMS技术正处于高速发展前夕,21世纪会展现一个大发展的局面,它的广泛应用和效益将强有力地显示出来,它对信息、航空、航天、自动控制、医学、生物学、力学、热学、光学、近代物理和工程学等诸领域发展的影响将是深远的,人类的生产和生活方式也会因此而发生重大改变