微机电系统及纳米技术大作业--微压力传感器

1、微机电系统及纳米技术大作业题目：微型压力传感器 微型压力传感器摘要：MEMS压力传感器是微系统世界里第一个出现的MEMS器件，该项技术已相当成熟 ，在当今的现代化产业中，压力传感器扮演了很重要的角色。由于MEMS压力传感器具有高性能、低成本和小尺寸等优点，被广泛地应用于汽车电子、工业控制、消费电子、航天航空和医疗领域等。MEMS压力传感器在每个领域中都在寻找新应用，例如：汽车领域的汽缸压力感测、医疗领域的循环正气压仪（CPAPM）、消费电子领域的智能手机（三星Galaxy S3的室内导航）和平板电脑。虽然所有这些新兴应用处于起步阶段，但是前途不可限量。关键字：MEMS，压力传感器1. 发展历程

2、1824年，正是由于瑞典化学家发现了硅，才为今天的电子工业革命奠定了材料基础。在1947年，Bell实验室利用半导体禇研制的第一个晶体管又为半导体产业奠定了基石。现如今，短短60年时间，微电子技术已成为了我们生活中不可或缺一部分。这其中，MEMS即微机电系统经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，MEMS技术也正在不动声色地改变着我们生活方式。喷墨打印机的喷墨头，智能手机的旋转感应，数码相机的防抖系统等等全部引入了MEMS技术。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： （

3、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）于1945年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

4、、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-现在）：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

5、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。2. 压力传感器类型与原理压力传感器已经普遍使用在汽车、压力容器、气体输送管道和真空设备中。以汽车为例，汽车中进气歧管绝对压力传感器能够根据发动机的负荷状态测出进气歧管内绝对压力（真空度）的变化，并转换成电压信号，与转速信号一起输送到电控单位，作为确定喷油器基本喷油量的依据。测量压力的方法有很多种，基本原理就是把压力转化为敏感材料的长度和厚度等尺寸变化来测量。敏感元件可以是压阻计、谐振应变片或一个变化的电容。压力传感器中的弹性元件通常都采用金属或者半导

6、体膜。硅材料由于其蠕变小、耐疲劳、回滞小、小尺寸、高弹性模量和低密度的特点使压力传感器取得突破进展。按照读出原理不同，微压力传感器可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式和光纤式等不同形式。（1）.压阻式压力传感器作为应用最广的一类微型压力传感器，硅压阻式压力传感器出现于20世纪60年代，它也是第一类能进行批量生产的MEMS传感器。目前，硅压阻式压力传感器在全世界的年产量已上亿，应用于汽车进汽油管的压力测量，以控制注油量并淘汰了传统的汽化器。用作一次性的生理压力传感器，以避免交叉感染，还可用于汽车轮胎气压测量、水深测量等。   压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。用扩散

7、法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进行温度补偿等。此类压力传感器的优点是制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。存在的主要问题是对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的精确测量。图1所示为体加工得到的压阻式微型压力传感器的主体结构。压敏电阻沉积在弹性膜片表面上，一般位于膜片的固定边缘附近。电阻与膜片之间有一层SiO2作为隔离层。弹性膜片的典型厚度为数十微米，是从硅片背面刻蚀出来的。在线性工作范围内，压敏电阻感受膜片边缘的应变，输出一个与被测压力成正比的电信号。弹性膜片的厚度会严重影响受压变形后的挠度，因此当到达适当厚(深)度

8、时的刻蚀停止技术尤为关键。由于是从硅片背面进行硅膜刻蚀的，所以有可能与标准IC工艺相结合，将传感部分和处理电路做成一体。1983年丰田公司率先开发出带有片上电路的微型压力传感器。  压阻式传感器的工作原理可总结如下：压敏电阻与压力敏感膜片集成为一体；压力作用下，敏感膜片发生变形；压敏电阻值的变化对应膜片变形，从而间接反映出被测压力值；通过电桥电路对压敏电阻的变化值进行测量。图1  压阻式微型压力传感器的主体结构 （2）.谐振式压力传感器谐振式微型压力传感器分两种类型。第一种直接利用振动膜结构，谐振频率依赖于膜片的上下面压差。另一种是在膜片上制作振动结构，上下表面的

9、压差导致膜片翘曲，振动结构的谐振频率随膜片的应力而变化。  谐振式压力传感器可以获得很高精度，输出频率直接是数字信号，具有强的抗干扰能力。谐振式压力传感器的缺点是制造工艺相对复杂，振动元件若集成在压力敏感膜上，二者的机械耦合会引起一些问题。  图2所示为一种商业化的谐振式压力传感器。由两平行梁构成的H形谐振器集成在压力敏感膜片上，其中一根梁通激励电流，在磁场中受洛伦兹力影响而发生振动。另一根梁也处于磁场中，可以利用感应电压对振动进行检测，从而确定膜片的应力状态，进一步得到被测压力值。该谐振器工作在局部真空状态，减少了空气阻尼影响，获得高的Q值。  图2 采用谐振梁

10、的微型压力传感器（3）.电容式压力传感器电容式微型压力传感器通常是将活动电极固连在膜片表面上，膜片受压变形导致极板间距变化，形成电容变化值。这类传感器曾被用于紧急输血时的血压计，或用作眼内压力监测器，以检测青光眼等眼球内压反常升高的疾病等。  图3所示为通过体加工工艺得到的电容式微型压力传感器。由各向异性刻蚀单晶硅制作出敏感膜片，通过膜片周围的固定部分与两玻璃片键合在一起。为减小应力，硅材料与键合玻璃片的热膨胀系数要近似匹配。弹性膜片固连的活动电极和玻璃片上的固定极板构成电容器，同时膜片周围的固定部分与玻璃片之间还形成不受压力变形影响的参考电容。测量电路制作在同一硅片上，从而形成机电

11、单片集成的微型传感器。该传感器芯片的平面尺寸约为8mm×6mm。图3  电容式微压力传感器一般电容式压力微型传感器受温度影响很小，能耗低，相对灵敏度高于压阻式传感器，通常能获得30%50%的电容变化，而压阻器件的电阻变化最多只有2%5%。通过电容极板的静电力可以对外压力进行平衡，所以电容式结构还能实现力平衡式的反馈测量。  因为电容变化与极板间距成正比，因此非线形是变间距电容式传感器的固有特征之一。另外，输出电容变化信号往往很小，需要相对复杂的专门接口电路。接口电路要和传感器集成在同一芯片上，或尽量安装靠近传感器芯片的位置，以避免杂散电容的影响。（4）.压电式压力

12、传感器压电式压力传感器是基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图4）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XY（+20°+30°）割

13、型的石英晶体可耐350的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210，是制造高温传感器的理想压电材料。 图4 压电式压力传感器（5）.光纤式压力传感器光纤压力传感器作为一种新型的传感器，与传统的压力传感器相比体积小、重量轻，具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易爆的环境中等优点，另外还可以构成光纤分布式压力传感器，对桥梁、大坝等进行健康状况的实时监测。光纤压力传感器分为功能型光纤压力传感器和非功能型光纤压力传感器。功能型光纤压力传感器：在外界的压力作用下对光纤自身的某些光学特性（强度，相位等）进行调制，调制区在光纤之内，光纤同时具有“感知”和“传输”两种功能，因此又称为内调制光纤压力传感器或

14、者传感型光纤压力传感器。非功能型光纤压力传感器:借助其他光学敏感元件来完成传感功能，调制区在光纤之外，光纤在系统中只起传输作用，因此称为调制光纤压力传感器，或者传光型光纤压力传感器。 图5 光纤式压力传感器光纤压力传感器特点：1. 尺寸小；2. 封装坚固;3. 精度高;4. 热转换低;5. 电磁/射频免疫，本质安全。光纤压力传感器应用于：1. 高温环境；2. 高电压环境；3. 危险环境；4. 航空与防卫；5. 工业工程控制和监控；6. 在有限空间，危险和强电磁/射频/核磁共振环境下的静态或动态压力测量。3. 压力传感器制造工艺一般MEMS器件的工艺流程如下：每种传感器又因设计等原等不同选择不同

15、的制造的工艺。现在以一种高温电容式压力传感器威力介绍其MEMS工艺。如图6，高温压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成。其中下电极位于厚支撑的衬底上。电极上蒸镀一层绝缘层。硅膜片则是利用各向异性腐蚀技术，在一片硅片上从正反面腐蚀形成的。上下电极的间隙由硅片的腐蚀深度决定。硅膜片和衬底利用键合技术键合在一起，形成具有一定稳定性的硅膜片电容压力传感器。 图6 高温压力传感器制造工艺4. 微压力传感器接口电路放大电路压力传感器压力信号应用微压力传感器对压力的感应特性，将压力转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接由单片机处理。因此，需要经A/D 转换为数字量。单片机通过对此数字量的处理，获得实

16、际的压力值，并通过液晶屏显示。整个电路的设计分4 大部分：电桥电路、放大电路、A/D 转换电路、LCD 显示电路。 微处理器压力信号A/D转换图7 微压力传感器接口电路框图5.压力传感器的应用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。航空航天领域

17、等。6. 压力传感器的发展现状及趋势在这里我们援引Yole Développement在2013年度对MEMS压力传感器的市场调查和预测报告说明一下MEMS压力传感器的发展状况。经过多年的沉寂， MEMS压力传感器市场将焕发新春，其原因是消费电子应用强力的推动（尤其是智能手机和平板电脑），预计该领域的复合年增长率将达到22%。预计全球市场规模将从2012年的19亿美金增长到2018年的30亿美金，2018年出货量可达28亿个。新兴的消费电子应用正推动MEMS压力传感器市场增长和竞争者洗牌当今的现代化产业中，压力传感器扮演了很重要的角色。由于MEMS压力传感器具有高性能、低成本和小尺寸

18、等优点，被广泛地应用于汽车电子、工业控制、消费电子、航天航空和医疗领域等。MEMS压力传感器是微系统世界里第一个出现的MEMS器件，该项技术已相当成熟，且市场空间很大。预计市场规模将从2012年的19亿美金增长到2018年的30亿美金。MEMS压力传感器在消费电子领域，尤其是智能手机和平板电脑，将跟随加速度计和陀螺仪的步伐，出现一轮新的爆发增长。Yole Développement相信巨大的市场商机将使得MEMS压力传感器的出货量再创新高，预计2018年可达28亿个。其中，消费类压力传感器的出货量将高达17亿个，超过一直领先的汽车电子领域。尽管消费类压力传感器的价格比其它应用要低很多

19、，但是这部分市场将给全球MEMS压力传感器市场贡献超过8%的复合年增长率。该报告数据于2012年收集整理，并提供2013-2018年市场预测。在这份报告中，我们给大家介绍全球MEMS压力传感器市场、技术现状和竞争格局，覆盖的行业范围包括：* 汽车应用* 工业应用* 医疗应用* 消费电子应用* 高端应用（航空、军事、国防）针对以上每个领域，该报告将提供市场状况、主要应用、当前市场数据和预测、主要厂商和产品。汽车应用仍然主导MEMS压力传感器市场，TPMS、MAP和BAP是该领域的主要应用。汽车、医疗、工业和高端市场的增长率分布在4%7%，而消费电子市场增长率则高达22%（出货量增长38%），其原

20、因是智能手机和平板电脑带来的新机遇。MEMS压力传感器在每个领域中都在寻找新应用，例如：汽车领域的汽缸压力感测、医疗领域的循环正气压仪（CPAPM）、消费电子领域的智能手机（三星Galaxy S3的室内导航）和平板电脑。虽然所有这些新兴应用处于起步阶段，但是前途不可限量。Yole Développement相信MEMS压力传感器将寻找各种新的途径来满足每个领域的终端用户需求。相比其它技术，MEMS技术继续获得更多的市场份额相比其它的现有技术，如陶瓷厚膜、陶瓷电容和薄膜技术，MEMS压力传感器拥有很多优势。如今，基于MEMS技术的低成本、低功耗和高精度的低压传感器正驱动压力传感器发展。

21、但是有些恶劣的使用环境，如高温、腐蚀，仍需要薄膜技术来制作压力传感器。MEMS压力传感器制造商也正在研究可以应用于恶劣环境的器件，如碳化硅MEMS压力传感器的发展现状会在报告中描述。为了更好地理解MEMS压力传感器在全球市场中的定位，Yole Développement对不同技术制作的压力传感器进行了分析和对比。超过50多个公司角逐分散的市场由于MEMS压力传感器的市场巨大，因此我们对超过50多个公司参与竞争，并不感到惊讶。这是MEMS市场中最分散的之一。排名前五的公司（Bosch、Denso、Sensata, GE Sensing和Freescale）占据约50%市场份额。汽车、医

22、疗、工业和高端市场已经有成熟的领导者和一些小公司。消费电子市场是新兴的，一些传统的MEMS传感器公司对此很感兴趣。还包括汽车市场的竞争对手情况，许多公司都瞄准该行业，但Bosch一直主导汽车领域。汽车行业的供应链很复杂，有不同类型的公司：汽车整车制造商、一级汽车零部件及系统供应商、传感器封装公司和MEMS芯片生产厂家。随着新的机遇的出现在消费电子市场中，美国和中国出现了一些初创公司。中国本土的公司正努力满足国内巨大的汽车和消费电子市场。7.智能压力传感器智能传感器作为传感器发展的方向，现已经出现并且投入使用。所谓智能压力传感器就是一种带有微处理器(单片机)的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、

23、逻辑思维判断功能的压力传感器。显然，智能压力传感器具有较强的信息处理功能的能力，这主要是通过微处理器的程序来完成的，也就是说智能压力传感器是硬件电路和软件程序结合的产物”。因此，智能压力传感器是既有获得信息的能力又有信息处理功能的传感器系统。智能压力传感器具备学习、推理、感知、通讯及管理的功能，其典型结构如图8所示。 图8 智能传感器典型结构框图智能压力传感器特点：(1)精确度高：智能压力传感器有多项功能来保证它的高精确度；智能压力传感器系统通常都具有自选量程、自校准、自动修正各类误差、自动补偿等功能，这些功能通过软件来解决，明显比硬件解决要好。(2)高可靠性和高稳定性：智能压力传感器能自动因

24、工作条件和环境参数发生变化后引起系统特性的漂移，具有自动切换量程、自诊断、判断和决策处理等功能。(3)高信噪比和高分辨率：智能压力传感器具有数掘存储、记忆与信息处理功能，能够通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，它可以去除输入数据中的噪声，可以通过数据，这样保证了对特定参数测量的分辨能力。(4)强自适应性：智能压力传感器具有判断、分析与处理功能，它根据系统工作情况决策各部分的供电情况和与上位机的数据传输速率，从而使系统在最有低功耗状态和优化传送率，而且它具有多种自补偿功能。(5)设计制造容易，使用维修简单：由于智能压力传感器的大部分功能都是通过软件程序实现的，而它的硬件电路相对来讲是比较简单，且制造容易。同样，若智能压力传感器出现故障，除本身具有自寻故障，发出警报功能外，对它进行维修主要就是优化软件程序。(6)集中控制：由于智能压力传感器采用微处理器对整个系统进行控制，而且微处理器具有强大的数据处理能力和控制能