MEMS壓力傳感器原理與應用

MEMS（微電子機械系統）是指集微型傳感器、執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。

MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路（IC）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壓力傳感器那樣做得像IC那么微小，成本也遠遠高于MEMS壓力傳感器。相對于傳統的機械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過1cm，使性價比相對于傳統“機械”制造技術大幅度提高。

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，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的應力杯硅薄膜內壁，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IC的硅壓阻式壓力傳感器實物照片。

圖1 惠斯頓電橋電原理

圖2 應變片電橋的光刻版本

圖3 硅壓阻式壓力傳感器結構

圖4 硅壓阻式壓力傳感器實物

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。

圖5 電容式壓力傳感器結構

圖6 電容式壓力傳感器實物

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，右是管芯內部結構圖。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。

圖7 典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結構和電原理

MEMS壓力傳感器Die的設計、生產、銷售鏈

MEMS壓力傳感器Die的設計、生產、銷售鏈如圖9所示。目前IC的4寸圓晶片生產線的大多數工藝可為MEMS生產所用；但需增加雙面光刻機、濕法腐蝕臺和鍵合機三項MEMS特有工藝設備。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；

圖9 MEMS壓力傳感器Die的設計、生產、銷售鏈

對于MEMS壓力傳感器生產廠家來說開拓汽車電子、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近幾年激增，如捷伸電子的年需求量約為200-300萬個。

MEMS芯片在設計、工藝、生產方面與IC的異同

與傳統IC行業注重二維靜止的電路設計不同，MEMS以理論力學為基礎，結合電路知識設計三維動態產品，對于在微米尺度進行機械設計會更多地依靠經驗，設計開發工具（Ansys）也與傳統IC（如EDA）不同，MEMS加工除使用大量傳統IC工藝，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕，雙面光刻等。MEMS較傳統IC工藝簡單，光刻步驟少，MEMS生產有一些非標準的特殊工藝，工藝參數需按產品要求進行調整，由于需要產品設計、工藝設計和生產三方面的密切配合，IDM的模式要優于Fabless+ Foundry（無芯片生產線公司+代工廠）的模式。MEMS對封裝技術的要求很高。傳統半導體廠商的 4英寸生產線正面臨淘汰，即使用來生產LDO也只有非常低的利潤，如轉而生產MEMS則可獲較高的利潤；4英寸線上的每一個圓晶片可生產合格的MEMS壓力傳感器Die 5～6千個，每個出售后可獲成本7～10倍的毛利（圖10）；轉產MEMS改動工藝不大、新增輔助設備有限，投資少、效益高；MEMS芯片與IC芯片整合封裝是IC技術發展的新趨勢，也是傳統IC廠商的新機遇。圖11是MEMS在4英寸圓晶片生產線上。

4英寸生產MEMS壓力傳感器Die成本估計

4英寸圓晶片生產線生產MEMS壓力傳感器Die成本估計如表所示，新增固定成本是指為該項目投入的人員成本和新設備的折舊（人員：專家1名+MEMS設計師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名，年成本147萬元，新增設備投入650萬元，按90%四年折舊計算）；現有4英寸線成本是指在5次光刻條件下使用4英寸線的成本（包括人工、化劑、水電、備件等的均攤成本）；硅片材料成本是指雙拋4寸硅片的價格。