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械電子傳感器。

　　硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、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力杯硅薄膜內壁，采用MEMS技術直接將四個高精密半導體應變片刻制在其表面應力最大處，組成惠斯頓測量電橋，作為力電變換測量電路，將壓力這個物理量直接變換成電量，其測量精度能達0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖3所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應力杯，其應力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。應力硅薄膜與真空腔接觸這一面經光刻生成如圖2的電阻應變片電橋電路。當外面的壓力經引壓腔進入傳感器應力杯中，應力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個電阻應變片因此而發(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。

　　電容式壓力傳感器利用MEMS技術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物如圖6。

　　MEMS壓力傳感器的應用

　　MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子如TPMS、發(fā)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動機進氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機共軌壓力傳感器。消費電子如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調壓力傳感器，洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器。工業(yè)電子如數字壓力表、數字流量表、工業(yè)配料稱重等。

　　典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結構和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應變片組成的惠斯頓電橋，右為管芯內部結構圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產各種壓力傳感器產品，如圖8所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個封裝內（MCM），使產品設計師很容易使用這個高度集成的產品設計最終產品。

　　MEMS（Micro Electromechanical System，即微電子機械系統(tǒng)）是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。它是在融合多種微細加工技術，并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。

　　MEMS技術的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產業(yè)，采用MEMS技術制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發(fā)展成為一個巨大的產業(yè)，就象近20年來微電子產業(yè)和計算機產業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革并對人類社會產生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅動頭等。大多數工業(yè)觀察家預測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發(fā)展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路的設計技術和制造工藝，進行高精度、低成本的大批量生產，從而為消費電子和工業(yè)過程控制產品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開方便之門，使壓力控制變得簡單、易用和智能化。傳統(tǒng)的機械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形，由機械量彈性變形到電量轉換輸出，因此它不可能如MEMS壓力傳感器那樣，像集成電路那么微小，而且成本也遠遠高于MEMS壓力傳感器。相對于傳統(tǒng)的機械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，相對于傳統(tǒng)“機械”制造技術，其性價比大幅度提高。

　　美國MEAS壓力傳感器發(fā)布的154N型壓力傳感器是一種經過補償，且與介質兼容的硅壓阻式傳感器，其外殼采用316不銹鋼封裝結構。外界壓力通過316不銹鋼膜片及內部灌充硅油傳遞傳感器件敏感元件上。

　　北京賽斯維測控技術有限公司為客戶提供不同類型壓力傳感器，產品咨詢熱線:010-84775646 84775648。

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