文档介绍：MEMS 压力传感器及其应用
来源: 电子工程网发布者:OFweek 电子工程网时间:2011 年 3 月
16 日 07:58
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(. 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 %~%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