MEMS压力传感器及其应用

MEMS压力传感器及其应用

MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)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压力传感器那样做得像IC那么微小，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1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

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。

二、MEMS压力传感器原理

MEMS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。

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号。图4是封装如IC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。

三、MEMS压力传感器的种类与应用范围

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。比如针对汽车，压力传感器大有所为。

在计量部门，汽车工业，航空，石油开采，家电产品，医疗仪器中应用广泛，如下表所示。

四、压力传感器应用、市场

汽车无疑是MEMS压力传感器最大的市场。一辆高端的汽车一般都会有上百个传感器，包括30~50个MEMS传感器，其中就有十个左右的压力传感器。放眼众多种类的压力传感器的应用和市场前景，在轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitor System，TPMS)中应用的压力传感器，则是未来市场中最看好的部分。目前99%的TPMS中采用的压力传感器都是基于MEMS技术的，按照Yole预计，仅仅用于TPMS的MEMS压力传感器在2012年将达到$ 183M，用于汽车的MEMS传感器2010年的销售额达到了$ 662.3M，比2009年的$ 501.2M增长了32.1%。亚太地区的MEMS 压力传感器市场年增长率为6.9%。2012年是一个重要的时间点。大多数的MEMS压力传感器政策截止时间都是在2012年，也就是说在2012年后，发达国家汽车市场TPMS和ESC两种应用都会成为标配。中国的汽车要出口到欧美发达市场都必须有以上配置，从这些国家进口的汽车也会带以上配置，这无疑将促进MEMS压力传感器的广泛应用。

许多因素将推动轿车采用更多的MEMS传感器，2012年是一个重要的时间点。大多数的MEMS压力传感器政策截止时间都是在2012年，也就是说在2012年后，发达国家汽车市场TPMS和ESC两种应用都会成为标配，也就是说无论是进口还是出口的汽车也会带以上配置，这无疑将促进MEMS压力传感器的广泛应用。美国在2012年以前将强制汽车安装电子稳定系统(ESC)，欧盟将在2014年以前。欧洲还将在2014年以前强制汽车安装TPMS，预计这些动态将提升总体销售额。ESC法将促进陀螺仪、加速度计和高压传感器的销售;而TPMS法则将促进MEMS压力传感器的出货量接近1.379亿，而2009年只有4290万个。