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MEMS压力传感器原理与应用 1410322119 张官涛 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。 2 压力传感器的发展历程 （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） 与 1945 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 （001）或（110） 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、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-） ：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=σ/ε， 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 MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。 图2 应变片电桥的光刻版本 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