MEMS 壓阻式壓力傳感器有別于傳統(tǒng)氣壓計，具有防水封裝、內(nèi)置溫度補償和高應(yīng)力耐受性。

雖然最早的氣壓計已有 300 多年的歷史，但現(xiàn)代氣壓傳感器的功能遠遠超過傳統(tǒng)的天氣預(yù)報。現(xiàn)在，不斷縮小的芯片尺寸使這些傳感器能夠在汽車引擎甚至智能手機中發(fā)揮作用。 

ROHM Semiconductor 最近推出了 BM1390GLV 氣壓傳感器。新器件是一種 MEMS 壓阻傳感器，防水等級為 IPX8，適用于家用電器、工業(yè)設(shè)備和緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。 

這種常見的傳感器有何獨特之處？ 

MEMS 壓阻式壓力傳感器如何工作？

首先，簡要回顧一下 BM1390GLV 的基本原理可能會有所幫助：壓阻效應(yīng)。這種效應(yīng)是指材料的電阻響應(yīng)于外部機械力而發(fā)生的變化。半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)比金屬要明顯得多。

如下所示，壓阻式壓力傳感器通過將壓阻式傳感元件連接到柔性膜片上來創(chuàng)建惠斯通電橋。 

壓阻式壓力傳感器創(chuàng)建惠斯通電橋。圖片由ROHM 提供

在壓力的影響下，隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而改變壓阻元件的電阻。電阻的變化會產(chǎn)生一個與電橋輸出端施加的壓力成正比的電壓信號。

當(dāng)今的傳感器通常具有內(nèi)置電子設(shè)備，可在將電橋輸出信號傳送到信號調(diào)節(jié)鏈中的下一個環(huán)節(jié)之前進一步處理該信號。  

MEMS：一項關(guān)鍵的使能技術(shù)

許多傳感器，包括壓力傳感器，都依賴于系統(tǒng)中的可移動部件。MEMS（微機電系統(tǒng)的簡稱）是使硅芯片上靠近信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備的可移動部件成為可能的關(guān)鍵技術(shù)。

下圖顯示了如何使用該技術(shù)在硅芯片上創(chuàng)建微型質(zhì)量阻尼彈簧系統(tǒng)以實現(xiàn)加速度計傳感器。 

CMOS MEMS 加速度計的掃描電子顯微照片 (SEM)。圖片由K. Zhang 提供

事實上，微制造技術(shù)的巨大進步使當(dāng)今許多小型低成本傳感器成為可能。例如，ROHM基于 MEMS 技術(shù)的新型壓力傳感器采用緊湊的 2.0 mm × 2.0 mm × 1.0 mm 封裝。 

防水性能

下圖對比了 BM1390GLV 與傳統(tǒng)設(shè)計。

BM1390GLV 結(jié)構(gòu)與同類產(chǎn)品相比，圖片由ROHM 提供

BM1390GLV 中采用的 MEMS 和控制電路可能與其他類似產(chǎn)品沒有太大區(qū)別；然而，新傳感器采用專有結(jié)構(gòu)和特殊的防水凝膠，使其適用于需要防水性能的工業(yè)設(shè)備和家用電器。

BM1390GLV 采用IPX8 級防水封裝— 最高防水等級。 

內(nèi)置溫度補償

應(yīng)變計的特性隨溫度而變化，因此需要溫度補償來提高壓阻式壓力傳感器的精度，尤其是當(dāng)設(shè)備要在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用時。

根據(jù) ROHM 的說法，BM1390GLV 采用專有的溫度補償算法來最大限度地減少溫度引起的誤差。

下圖比較了新傳感器與其他同類產(chǎn)品的性能。

BM1390GLV 與同類產(chǎn)品的性能對比。圖片由ROHM 提供

該公司聲稱新傳感器（上面的紅色曲線）優(yōu)于具有內(nèi)部溫度補償（藍色曲線）的同類產(chǎn)品以及那些消除外部 MCU 誤差的解決方案（綠色曲線）。另請注意，由于溫度校準(zhǔn)不需要外部 MCU，因此新器件可以提供較低的設(shè)計復(fù)雜性。 

承受壓力

BM1390GLV 使用陶瓷封裝，最大限度地減少了安裝應(yīng)力的誤差。下圖顯示了用于新傳感器的陶瓷封裝和傳統(tǒng)傳感器中常用的樹脂封裝的應(yīng)力模擬。

陶瓷封裝與樹脂封裝的應(yīng)力模擬。圖片由ROHM 提供

采用更堅固的封裝消除了設(shè)計人員在使用樹脂產(chǎn)品時面臨的布局限制，因此提供了更大的設(shè)計靈活性。

氣壓傳感器的應(yīng)用

氣壓傳感器測量絕對氣壓。除了傳統(tǒng)的天氣預(yù)報應(yīng)用外，這些傳感器還可用于智能手機的導(dǎo)航。由于氣壓隨海拔升高而降低，因此來自高分辨率氣壓傳感器的信息可用于確定海拔高度。

BM1390GLV典型應(yīng)用電路及框圖。圖片由ROHM 提供

可用于輔助衛(wèi)星導(dǎo)航或用于汽車發(fā)動機

在丟失衛(wèi)星信號的情況下。航位推算通過估計行進的方向和距離來計算一個人的位置。在某些情況下，氣壓傳感器可以區(qū)分小至一步高度的高度變化。 

這些傳感器適用于跟蹤健身活動和識別手勢。氣壓傳感器還用于汽車發(fā)動機，以在不同海拔高度行駛時實現(xiàn)最佳效率。 

新型 BM1390GLV 氣壓傳感器的用例。圖片由ROHM 提供

ROHM的新型傳感器主要針對家用電器，如電飯煲和吸塵器；需要防水性能的工業(yè)設(shè)備；在戶外運行的小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；和無人機。