分析MEMS壓力傳感器的原理設計與應用

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。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。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，發生彈性變形，四個電阻應變片因此而發生電阻變化，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。圖4是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實物照片。

圖4 硅壓阻式壓力傳感器實物

圖6 電容式壓力傳感器實物

圖5 電容式壓力傳感器結構

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、發動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統空氣壓力傳感器、汽車發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。工業電子如數字壓力表、數字流量表、工業配料稱重等。

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壓力傳感器的設計、生產、銷售鏈

MEMS壓力傳感器的設計、生產、銷售鏈如圖9所示。目前集成電路的4寸圓晶片生產線的大多數工藝可為MEMS生產所用。但是需要增加雙面光刻機、濕法腐蝕臺和鍵合機三項MEMS特有的工藝設備。壓力傳感器產品生產廠商需要增加價格不菲的標準壓力檢測設備。

對于MEMS壓力傳感器生產廠家來說，開拓汽車電子以及消費電子領域的銷售經驗和渠道是十分重要和急需的。特別是汽車電子對MEMS壓力傳感器的需要量在近幾年激增，如捷伸電子的年需求量約為200-300萬個。