MEMS压力传感器原理与应用简介课件

1、MEMS压力传感器原理与应用 主要内容1.什么MEMS压力传感器2.压力传感器的发展历程3.MEMS压力传感器原理与结构 3.1 硅压阻式MEMS压力传感器 3.2 硅电容式MEMS压力传感4.MEMS压力传感器的应用 1 什么是MEMS压力传感器MEMS（微机电系统）是指集微型机构、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器件或系统。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。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

2、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。 （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-）

3、 ：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。3 MEMS压力传感器原理与结构目前的MEMS压力传感器有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械电子传感器。 半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化的关系称为半导体压阻效应。半导体应变片电阻的变化主要是电阻率变化引起的，表示为 由于弹性系数E=/， 上式又可写为 为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的。 3.1 硅压阻式压力传感器 硅压阻

4、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。由惠斯顿电桥组成的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零。 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。 图1 惠斯顿电桥电原理 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

5、发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装IC的硅压阻式压力传感器实物照片。 图3 硅压阻式压力传感器结构 图4 硅压阻式压力传感器实物 (2)、变面积型电容传感器 (3)、变介电常数型电容传感器 4 MEMS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

6、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。 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。 如图7所示。MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内（MCM），使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。图7 各种压力传感器产品 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 3050 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。国内外主要供应商1) 意法半导体（STM） 2) 博世（bosch）3) 飞思卡尔（freescale） 4) 敏芯微电子技术有限公司 5) 北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司 结束语 当前 ,MEMS技术正处于高速发展前夕 , 21世纪会展现一个大发展