MEMS压力传感器

MEMS压力传感器

姓名：唐军杰

学号： 09511027

班级： _09511__

目录

引言 (1)

一、压力传感器的发展历程 (2)

二、MEMS微压力传感器原理 (3)

1.硅压阻式压力传感器 (3)

2.硅电容式压力传感器 (4)

三、MEMS微压力传感器的种类与应用范围 (5)

四、MEMS微压力传感器的发展前景 (7)

参考文献 (8)

内容提要

在整个传感器家族中，压力传感器是应用最广泛的产品之一，

每年世界性的压力传感器的专利就有上百项。微压力传感器作为微

型传感器中的一种，在近几年得到了快速广泛的应用。本文详细介

绍了MEMS压力传感器的原理与应用。

［关键词］：MEMS压力传感器微型传感器微电子机械系统

引言

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微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微压力传感器那样，像集成电路那么微小，而且成本也远

远高于MEMS微压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS微

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。

MEMS微压力传感器

一、压力传感器的发展历程

现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体

传感器的发展可以分为四个阶段：

（1）发明阶段（1945 - 1960 年）：这个阶段主要是以

1947 年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体材料的这一特性

得到较广泛应用。史密斯（C.S. Smith）与1945 发现了硅与锗的

压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。

（2）技术发展阶段（1960 - 1970 年）：随着硅扩散技术的

发展，技术人员在硅的（001）或（110）晶面选择合适的晶向直接

把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅

弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属-

硅共晶体，为商业化发展提供了可能。

（3）商业化集成加工阶段（1970 - 1980 年）：在硅杯扩散

理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加

工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜

厚度的硅各向异性加工技术，主要有V 形槽法、浓硼自动中止法、

阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表

面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的

工厂加工模式，成本进一步降低。

（4）微机械加工阶段（1980 年-）：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计

算机控制加工出结构型的压力传感器，其线度可以控制在微米级范

围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压

力传感器进入了微米阶段。MEMS微压力传感器使压力控制变得简单、易用和智能化。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。

二、MEMS微压力传感器原理

MEMS微压力传感器按原理分，有电容型、压阻型，压电式，金属应变式，光纤式等。重点介绍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。

1·硅压阻式压力传感器

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，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。

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