MEMS壓力傳感器原理

　　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。

　　硅壓阻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、較低的功耗和極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器，如無(wú)壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。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。

　　MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度能達(dá)0.01-0.03%FS。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)典型的絕壓壓力傳感器。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)。

　　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，即△壓力=△電容量（圖5）。電容式壓力傳感器實(shí)物如圖6。

　　MEMS壓力傳感器的應(yīng)用

　　MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(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。

　　典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應(yīng)變片組成的惠斯頓電橋，右為管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來(lái)生產(chǎn)各種壓力傳感器產(chǎn)品，如圖8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。

　　MEMS（Micro Electromechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng)）是指集微型傳感器、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機(jī)電系統(tǒng)。它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高科技前沿學(xué)科。

　　MEMS技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就象近20年來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類(lèi)帶來(lái)的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測(cè)，未來(lái)5年MEMS器件的銷(xiāo)售額將呈迅速增長(zhǎng)之勢(shì)，年平均增加率約為18%，因此對(duì)對(duì)機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　MEMS壓力傳感器可以用類(lèi)似集成電路的設(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)，從而為消費(fèi)電子和工業(yè)過(guò)程控制產(chǎn)品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開(kāi)方便之門(mén)，使壓力控制變得簡(jiǎn)單、易用和智能化。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，像集成電路那么微小，而且成本也遠(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)一個(gè)厘米，相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)，其性?xún)r(jià)比大幅度提高。

　　美國(guó)MEAS壓力傳感器發(fā)布的154N型壓力傳感器是一種經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，且與介質(zhì)兼容的硅壓阻式傳感器，其外殼采用316不銹鋼封裝結(jié)構(gòu)。外界壓力通過(guò)316不銹鋼膜片及內(nèi)部灌充硅油傳遞傳感器件敏感元件上。

　　北京賽斯維測(cè)控技術(shù)有限公司為客戶(hù)提供不同類(lèi)型壓力傳感器，產(chǎn)品咨詢(xún)熱線:010-84775646 84775648。

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