MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用簡(jiǎn)介課件

1、MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用 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.MEMS壓力傳感器的應(yīng)用 1 什么是MEMS壓力傳感器MEMS（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)。MEMS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，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

2、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。 （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-）

3、 ：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壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu)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 由于彈性系數(shù)E=/， 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。 3.1 硅壓阻式壓力傳感器 硅壓阻

4、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1 惠斯頓電橋電原理 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

5、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3 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 圖4 硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物 (2)、變面積型電容傳感器 (3)、變介電常數(shù)型電容傳感器 4 MEMS壓力傳感器的應(yīng)用 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

6、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(mén)，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7 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1) 意法半導(dǎo)體（STM） 2) 博世（bosch）3) 飛思卡爾（freescale） 4) 敏芯微電子技術(shù)有限公司 5) 北京青鳥(niǎo)元芯微系統(tǒng)科技有限責(zé)任公司 結(jié)束語(yǔ) 當(dāng)前 ,MEMS技術(shù)正處于高速發(fā)展前夕 , 21世紀(jì)會(huì)展現(xiàn)一個(gè)大發(fā)展