MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用簡(jiǎn)介銹鋼板

1、MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用簡(jiǎn)介銹鋼板主要內(nèi)容主要內(nèi)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(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 4.硅壓阻制造相關(guān)技術(shù) 5.MEMS壓力傳感器的應(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(dǎo)體為材料。 特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)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(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(chēng)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(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

4、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 MEMS3 MEMS壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu)壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu)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(jī)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(xiàn)材料的壓阻效應(yīng)。 當(dāng)導(dǎo)電材料受到變形或者是應(yīng)變的時(shí)候,內(nèi)部載流子改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)致導(dǎo)電材料的電阻率(或電導(dǎo)率)發(fā)生改變,從而電阻的阻值就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

5、正是這種效應(yīng),為壓力等機(jī)械能和電能之間提供了一種簡(jiǎn)單而直接的能量信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制。 橫截面積為A、長(zhǎng)度為l的電阻,根據(jù)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(kuò)散或離子注入等工藝，在單晶硅膜邊緣處制作4個(gè)電阻并連接成惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)。壓力傳感器工作原理示意圖 在實(shí)際工藝中，往往用“預(yù)淀積”+“再分布”的兩步擴(kuò)散法。 第一步：在較低的溫度下進(jìn)行短時(shí)間的恒定表面源擴(kuò)散，擴(kuò)散深度很淺，目的是控制進(jìn)入硅片的雜質(zhì)總量，稱(chēng)（預(yù)淀積）。 第二步：以預(yù)擴(kuò)散雜質(zhì)分布作為摻雜源，高溫下進(jìn)行有限表面源的推進(jìn)擴(kuò)散，使雜質(zhì)向硅片內(nèi)部推進(jìn)，重新分布，通過(guò)控制擴(kuò)散溫度和時(shí)間以獲得

6、預(yù)期的表面濃度和結(jié)深（分布），又稱(chēng)“再分布”、主擴(kuò)散。 作用：較好地解決了表面濃度、結(jié)深與擴(kuò)散溫度、時(shí)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(dāng)彈性膜片受到壓力時(shí)，電阻受到的應(yīng)力最大，從而壓敏電阻的阻值變化最大，提高靈敏度。4個(gè)電阻中的兩個(gè)平行于膜片邊緣，另外兩個(gè)垂直于膜片邊緣。理想情況下,當(dāng)外界無(wú)壓力時(shí),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(wú)能量損耗，電橋輸出為： 當(dāng)外界壓力使膜片發(fā)生形變時(shí)，惠斯頓電橋中四個(gè)電阻的變化相當(dāng)，其中兩個(gè)電阻阻值變大，另外兩個(gè)電阻阻值減小，其關(guān)系為:R1= -R2=R3=-R4=R。 此時(shí)電橋輸出為

7、: Vo是無(wú)外界壓力時(shí)電橋的輸出。 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)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(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)。 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) 周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴(kuò)散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷，而且能將電阻條、補(bǔ)償電路和信號(hào)調(diào)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(diǎn)是:頻率響應(yīng)高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)1.5兆赫以上)，適于動(dòng)態(tài)測(cè)量。體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米），適于微型化；精度高，可達(dá)0.10.01%；靈敏高，比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍，有些應(yīng)用場(chǎng)合可不加放大器；無(wú)活動(dòng)部件，可靠性高，能工作于振動(dòng)、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。其缺點(diǎn)是溫度影響較大（有時(shí)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償）、工藝較復(fù)雜和造價(jià)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(diǎn)： 靈敏度高，功耗比壓阻式低，穩(wěn)定性好 缺點(diǎn)： 需要復(fù)雜的電路，容易引入雜散電容電容式傳感器基本類(lèi)型：變極距

9、型、變面積型、變介電常數(shù)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(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小。電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 4.4.硅壓阻制造相關(guān)技術(shù)硅壓阻制造相關(guān)技術(shù)生產(chǎn)的半自動(dòng)化和自動(dòng)化無(wú)應(yīng)力的組裝技術(shù)雙面光刻工藝各向異性化學(xué)腐蝕離子注入技術(shù)壓阻芯片膜片制造硅壓阻制造硅壓阻制造相關(guān)技術(shù)相關(guān)技術(shù) 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(kuò)散技術(shù)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(shù)離子注入技術(shù)a. 主要特性：電阻精度高 ，均勻性良好，溫度系數(shù)小b.可以良好的保證惠斯登電壓四個(gè)電阻等值, 特別是適合制造小型、超小型壓力傳感器c.現(xiàn)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(jìn)行硅杯腐蝕同時(shí)控制硅杯膜片厚度 b.腐蝕溶液要依據(jù)硅杯膜后的晶向來(lái)選擇各向異性各向異性化腐蝕技術(shù)化腐蝕技術(shù)a.工藝流程：將硅片兩面同時(shí)勻膠前烘兩面曝光堅(jiān)膜顯影和腐蝕b. 主要特性：簡(jiǎn)化工序、

11、節(jié)省材料、提高效率、降低成本5.5.無(wú)應(yīng)力的組裝技術(shù)無(wú)應(yīng)力的組裝技術(shù)a.主要特性：性能穩(wěn)定、可靠性高、適合各種壓力測(cè)量b.技術(shù)關(guān)鍵：保證組裝結(jié)構(gòu)無(wú)殘余應(yīng)力 選擇與硅片材料熱膨脹系數(shù)相同的材料c.核心技術(shù)：1.靜電封裝和燒結(jié)來(lái)熔接硅芯片 2.不誘鋼管殼和電子束焊接來(lái)密封6.生產(chǎn)的半自動(dòng)化和自動(dòng)化生產(chǎn)的半自動(dòng)化和自動(dòng)化自動(dòng)控制擴(kuò)散爐自動(dòng)光刻機(jī)5 MEMS壓力傳感器的應(yīng)用 汽車(chē)電子：如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車(chē)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

12、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(chēng)重等。 在計(jì)量部門(mén)，汽車(chē)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(chē)無(wú)疑是MEMS壓力傳感器最大的市場(chǎng)。一輛高端的汽車(chē)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(lèi)的壓力傳感器的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，

13、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。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(chē)碰撞強(qiáng)度，并將感受到的信號(hào)傳送到控制器，控制器接收傳感器的信號(hào)并進(jìn)行處理。 安全氣囊最重要的指標(biāo)是可靠性。為了監(jiān)測(cè)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(shè)有信號(hào)燈于予以顯示。 汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)系統(tǒng)一般有左右擋板傳感器各一個(gè)，還有一個(gè)傳感器放在含有診斷模塊的控制器中。當(dāng)發(fā)生前面碰撞時(shí)，兩個(gè)擋板傳感器中只要有一個(gè)閉合，診斷模塊就會(huì)根據(jù)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，認(rèn)為有必要點(diǎn)火后時(shí)即發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)使氣囊充氣。碰撞傳感器 對(duì)于各汽車(chē)制造廠生產(chǎn)的車(chē)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(chēng)也不統(tǒng)一，例如有些碰撞傳感器按照工作原理也稱(chēng)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(hù)碰撞傳感器。按照結(jié)構(gòu)的不同： 碰撞傳感器分為機(jī)電式碰撞傳感器、電子式碰撞傳感器以及機(jī)械式碰撞傳感器。對(duì)于早期的汽車(chē)： 一般設(shè)有多個(gè)觸發(fā)碰撞傳感器，安裝位置一般在車(chē)身的前部和中部。國(guó)內(nèi)外主要供應(yīng)商