mems压力传感器原理：MEMS压力传感器原理及应用详解
mems压力传感器原理：MEMS压力传感器原理及应用详解
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mems压力传感器原理：MEMS压力传感器原理及应用详解_1
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电传感器。
本文引用地址：
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。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。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
图2 应变片电桥的光刻版本
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绝压压力传感器。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，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。
MEMS硅压阻式压力传感器
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
MEMS电容式压力传感器
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，即△压力=△电容量。电容式压力传感器实物如图。
图5 电容式压力传感器结构
图6 电容式压力传感器实物
MEMS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（轮胎压力监测系统）、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、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。
mems压力传感器原理：MEMS压力传感器的结构与工作原理【图】
MEMS压力传感器的结构与工作原理
MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术(micro/nanotechnology)基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。
它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。
它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。 微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。
MEMS压力传感器是具有电源、接口电路、执行器、微型传感器和信号处理的微型的机电系统。它可以使用在制作工艺和电路设计上，低成本而高精度地进行大量的生产。其实传统的压力传感器是在当金属弹性体受到外力的作用而导致变形的时候，经过机械量的弹性的变形，然后待电量转换之后再输出，因此，MEMS压力传感器的优越性有很多，尺寸很小，性价比很高。它主要分为两种：硅电容式和硅压阻式。
根据MEMS的有关技术，制造出电容式传感器的形状为横隔栅状的，上面跟下面的两根横隔栅就可以组成一组传感器。当上横隔栅受到压力作用的时候，就会向下移动，接着，就会使上面跟下面的两根横隔栅之间的距离发生改变，换句话说，板之间的电容量就会发生变化。硅压阻式压力传感器使用了精密度很高的半导体电阻应变片来形成惠更斯电桥，这样就可以利用它来作为力电变换来测量有关的电路。它的成本较低、功耗较低、测量的精密度较高。这种传感器，如果压力没有发生变化，那么它的输出就为零，所以几乎是不需要耗电的。
而MEMS硅压阻式压力传感器就是应用了四周的固定、形状为圆形的应力杯硅薄膜的内壁，同时应用MEMS的有关技术，可以直接地把四个精密度高的半导体应变片直接地刻制到它的表层应力最大的地方，这样就可以形成惠更斯电桥，因此可以作为力电变换来测量电路了，这是直接地把压力转换成为电量而测量的。
MEMS压力传感器的应用非常广泛，工业电子：工业配料称重、数字流量表以及数字压力表等等。消费电子：太阳能热水器用液位控制压力传感器、洗碗机、饮水机、洗衣机、空调压力传感器，微波炉、健康秤以及血压计等等。汽车电子：柴油机的共轨压力传感器、汽车发动机的进气歧管压力传感器、汽车刹车系统的空气压力传感器以及发动机的机油压力传感器等等。
现在很多集成电路之中的四寸圆形的晶片的很多工艺都是MENS生产出来所用的。但一定要加上三个MEMS工艺的特有设备：键合机、双面光刻机以及湿法腐蚀台。对于压力传感器生产商来说，一定要加上价格很昂贵的标准的压力检测的设备。而MEMS生产商，他们很需要开拓消费电子和汽车电子的范畴的渠道以及销售的经验。尤其是汽车电子，它对于MEMS压力传感器来说，是越加的重要，在最近几年的时间里，它的需求量增加得很快。例如：捷伸电子每一年对它的需求量已经达到二百到三百万个了。随着科技的进步，MEMS压力传感器在市场上的需求量会越来越大的，而且它的发展前景无比广阔。
mems压力传感器原理：图解MEMS压力传感器原理与应用
MEMS（Micro Electromechanical System，即微电子机械系统）是指集微型传感器、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机电系统。它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
MEMS压力传感器可以用类似集成电路的设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单、易用和智能化。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，像集成电路那么微小，而且成本也远远高于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，最大的不超过一个厘米，相对于传统“机械”制造技术，其性价比大幅度提高。
图1 惠斯顿电桥电路原理
图2 应变片电桥的光刻版本
图3 硅压阻式压力传感器结构
MEMS压力传感器原理
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、较低的功耗和极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。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4 硅压阻式压力传感器实物
图5
图6 电容式压力传感器实物
MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，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绝压压力传感器。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是封装如集成电路的硅压阻式压力传感器实物照片。
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，即△压力=△电容量（图5）。电容式压力传感器实物如图6。
MEMS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。
典型的MEMS压力传感器管芯（die）结构和电原理如图7所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥，右为管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感器产品，如图8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。
MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链
MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链如图9所示。目前集成电路的4寸圆晶片生产线的大多数工艺可为MEMS生产所用。但是需要增加双面光刻机、湿法腐蚀台和键合机三项MEMS特有的工艺设备。压力传感器产品生产厂商需要增加价格不菲的标准压力检测设备。
对于MEMS压力传感器生产厂家来说，开拓汽车电子以及消费电子领域的销售经验和渠道是十分重要和急需的。特别是汽车电子对MEMS压力传感器的需要量在近几年激增，如捷伸电子的年需求量约为200-300万个。
MEMS芯片在设计、工艺、生产方面与IC的异同
与传统IC行业注重二维静止的电路设计不同，MEMS以理论力学为基础，结合电路知识设计三维动态产品。对于在微米尺度进行机械设计会更多地依靠经验，设计开发工具（Ansys）也与传统IC（如EDA）不同。MEMS加工除了使用大量传统的IC工艺，还需要一些特殊工艺，如双面刻蚀，双面光刻等。MEMS比较传统IC，工艺简单，光刻步骤少，MEMS生产的一些非标准的特殊工艺，工艺参数需要按照产品的要求来进行调整。由于需要产品设计、工艺设计和生产三方面的密切配合，IDM的模式要优于Fabless+Foundry的模式。MEMS对封装技术的要求很高。传统半导体厂商的4〃生产线正面临淘汰，即使用来生产LDO，其利润也非常低，但是，如果生产MEMS，则可获得较高的利润。4〃线上的每一个圆晶片可生产合格的MEMS压力传感器Die5-6K个，每个出售后，可获成本7-10倍的毛利（如图10）。转产MEMS对厂家的工艺要求改动不大，新增辅助设备有限，投资少、效益高。MEMS芯片与IC芯片整合封装是集成电路技术发展的新趋势，也是传统IC厂商的新机遇。图11是MEMS在4〃圆晶片生产线上。
4〃生产MEMS压力传感器Die成本估计
4”圆晶片生产线生产MEMS压力传感器Die成本估计如表所示，新增固定成本是指为该项目投入的人员成本和新设备的折旧（人员：专家1名+MEMS设计师2名+工程师4名+工艺师5名+技工12名，年成本147万元，新增设备投入650万元，按90%四年折旧计算）；现有4”线成本是指在5次光刻条件下使用4”线的成本（包括人工、化剂、水电、备件等的均摊成本）；硅片材料成本是指双抛4寸硅片的价格。
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