mems壓力傳感器原理:MEMS壓力傳感器原理及應用詳解

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mems壓力傳感器原理:MEMS壓力傳感器原理及應用詳解

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mems壓力傳感器原理:MEMS壓力傳感器原理及應用詳解  第2張

mems壓力傳感器原理:MEMS壓力傳感器原理及應用詳解_1

  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電傳感器。
本文引用地址:
  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?;菟诡D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。
 
圖1 惠斯頓電橋電原理
圖2 應變片電橋的光刻版本
  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,產生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。
MEMS硅壓阻式壓力傳感器
  
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
MEMS電容式壓力傳感器
  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。電容式壓力傳感器實物如圖。
   
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(輪胎壓力監測系統)、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、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。

mems壓力傳感器原理:MEMS壓力傳感器的結構與工作原理【圖】

MEMS壓力傳感器的結構與工作原理
MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫,即微電子機械系統。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術(micro/nanotechnology)基礎上的21世紀前沿技術,是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。
它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發送信息或指令,還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。
它用微電子技術和微加工技術(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結合的制造工藝,制造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。 微電子機械系統(MEMS)是近年來發展起來的一種新型多學科交叉的技術,該技術將對未來人類生活產生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。
MEMS壓力傳感器是具有電源、接口電路、執行器、微型傳感器和信號處理的微型的機電系統。它可以使用在制作工藝和電路設計上,低成本而高精度地進行大量的生產。其實傳統的壓力傳感器是在當金屬彈性體受到外力的作用而導致變形的時候,經過機械量的彈性的變形,然后待電量轉換之后再輸出,因此,MEMS壓力傳感器的優越性有很多,尺寸很小,性價比很高。它主要分為兩種:硅電容式和硅壓阻式。
根據MEMS的有關技術,制造出電容式傳感器的形狀為橫隔柵狀的,上面跟下面的兩根橫隔柵就可以組成一組傳感器。當上橫隔柵受到壓力作用的時候,就會向下移動,接著,就會使上面跟下面的兩根橫隔柵之間的距離發生改變,換句話說,板之間的電容量就會發生變化。硅壓阻式壓力傳感器使用了精密度很高的半導體電阻應變片來形成惠更斯電橋,這樣就可以利用它來作為力電變換來測量有關的電路。它的成本較低、功耗較低、測量的精密度較高。這種傳感器,如果壓力沒有發生變化,那么它的輸出就為零,所以幾乎是不需要耗電的。
而MEMS硅壓阻式壓力傳感器就是應用了四周的固定、形狀為圓形的應力杯硅薄膜的內壁,同時應用MEMS的有關技術,可以直接地把四個精密度高的半導體應變片直接地刻制到它的表層應力最大的地方,這樣就可以形成惠更斯電橋,因此可以作為力電變換來測量電路了,這是直接地把壓力轉換成為電量而測量的。
MEMS壓力傳感器的應用非常廣泛,工業電子:工業配料稱重、數字流量表以及數字壓力表等等。消費電子:太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器、洗碗機、飲水機、洗衣機、空調壓力傳感器,微波爐、健康秤以及血壓計等等。汽車電子:柴油機的共軌壓力傳感器、汽車發動機的進氣歧管壓力傳感器、汽車剎車系統的空氣壓力傳感器以及發動機的機油壓力傳感器等等。
現在很多集成電路之中的四寸圓形的晶片的很多工藝都是MENS生產出來所用的。但一定要加上三個MEMS工藝的特有設備:鍵合機、雙面光刻機以及濕法腐蝕臺。對于壓力傳感器生產商來說,一定要加上價格很昂貴的標準的壓力檢測的設備。而MEMS生產商,他們很需要開拓消費電子和汽車電子的范疇的渠道以及銷售的經驗。尤其是汽車電子,它對于MEMS壓力傳感器來說,是越加的重要,在最近幾年的時間里,它的需求量增加得很快。例如:捷伸電子每一年對它的需求量已經達到二百到三百萬個了。隨著科技的進步,MEMS壓力傳感器在市場上的需求量會越來越大的,而且它的發展前景無比廣闊。

mems壓力傳感器原理:圖解MEMS壓力傳感器原理與應用

  MEMS(Micro Electromechanical System,即微電子機械系統)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。它是在融合多種微細加工技術,并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。
  MEMS技術的發展開辟了一個全新的技術領域和產業,采用MEMS技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為一個巨大的產業,就象近20年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大變化一樣,MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革并對人類社會產生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅動頭等。大多數工業觀察家預測,未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢,年平均增加率約為18%,因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。
MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路的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,像集成電路那么微小,而且成本也遠遠高于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,最大的不超過一個厘米,相對于傳統“機械”制造技術,其性價比大幅度提高。

  
圖1 惠斯頓電橋電路原理

  
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

  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?;菟诡D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。

  
圖4 硅壓阻式壓力傳感器實物

  
圖5

  
圖6 電容式壓力傳感器實物

  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。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是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實物照片。
  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。

  

  

  

  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加工除了使用大量傳統的IC工藝,還需要一些特殊工藝,如雙面刻蝕,雙面光刻等。MEMS比較傳統IC,工藝簡單,光刻步驟少,MEMS生產的一些非標準的特殊工藝,工藝參數需要按照產品的要求來進行調整。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的模式。MEMS對封裝技術的要求很高。傳統半導體廠商的4〃生產線正面臨淘汰,即使用來生產LDO,其利潤也非常低,但是,如果生產MEMS,則可獲得較高的利潤。4〃線上的每一個圓晶片可生產合格的MEMS壓力傳感器Die5-6K個,每個出售后,可獲成本7-10倍的毛利(如圖10)。轉產MEMS對廠家的工藝要求改動不大,新增輔助設備有限,投資少、效益高。MEMS芯片與IC芯片整合封裝是集成電路技術發展的新趨勢,也是傳統IC廠商的新機遇。圖11是MEMS在4〃圓晶片生產線上。

  

  4〃生產MEMS壓力傳感器Die成本估計

  4”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”線成本是指在5次光刻條件下使用4”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。

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