详解MEMS压力传感器的原理及应用

简介：
本文深入解析MEMS（微机电系统）压力传感器的工作原理，并探讨其在医疗、汽车和消费电子等领域的广泛应用。 ### MEMS压力传感器原理 MEMS（微电子机械系统）是一种集成微型传感器、执行器、信号处理电路、接口电路、通信及电源的高科技产品。该技术结合了多种微细加工技术和现代信息技术，涵盖了如压力传感器、加速度计和微陀螺仪等组件。随着MEMS技术的进步，预计未来五年内销售额将以年均18%的速度增长，这为相关学科的发展带来了机遇与挑战。 ### 硅压阻式压力传感器 硅压阻式压力传感器基于在硅片上制造的微机械电子器件。它采用了由高精度半导体电阻应变片构成的惠斯顿电桥作为力-电转换器，具有高精度、低功耗和低成本的优点。当没有外部压力变化时，输出电压为零且几乎不消耗电力。传感器的核心是惠斯顿电桥（如图1所示），其中应变片电桥被刻制在硅片表面应力最大的位置（如图2所示）。传感器结构由上下两层玻璃体及中间的硅片构成（如图3所示），通过MEMS技术直接将压力转换为电信号，精度可达0.01-0.03%FS。当外部压力作用于引压腔并通过应力杯使硅薄膜产生微小变形时，应变片电阻随之变化，并改变电桥输出电压与压力成正比。 ### 电容式压力传感器 电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制作横隔栅以形成两个平行的板（如图5所示），当受到外部力的作用时，其中一个板向下移动从而改变了两板之间的距离，进而改变电容器的电容量，实现将压力变化转换为电信号。该类型的压力传感器常应用于汽车电子、消费电子产品和工业设备等领域。 ### 应用领域 MEMS压力传感器广泛用于包括轮胎气压监测系统（TPMS）、发动机机油压力传感器在内的多种汽车电子应用；以及胎压计、血压计等家用及医疗健康类产品，同时也被用于洗衣机中的液位控制。此外，在工业自动化中也有广泛应用如数字式流量表和配料称重设备。 ### 生产与销售链 MEMS压力传感器的生产流程包括设计、制造和销售三个环节。通常情况下可以使用集成电路4寸晶圆生产线进行制造，并添加特定于MEMS工艺所需的额外生产设备，例如双面光刻机以及湿法腐蚀台等工具。完成管芯（die）的设计后，可将其封装成独立产品或与仪表放大器及ADC一起集成在一个多芯片模块中以简化最终产品的设计和使用。 ### MEMS与IC的区别 在设计方面，MEMS更注重三维动态机械结构的构建而IC则主要集中在二维静态电路布局上。此外，在工艺过程中尽管两者会共享许多技术但MEMS还需要一些特殊的处理步骤如双面刻蚀及光刻等以满足其特定需求。对于封装而言由于尺寸小且内部构造复杂因此对精度和可靠性要求极高，这使得IDM（垂直整合制造）模式在生产此类产品时更为合适因为它能够更好地协调设计、工艺以及生产的各个环节。