中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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什么是MEMS壓力傳感器
MEMS是Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。MEMS技術(shù)被譽為21世紀具有革命性的高新技術(shù)之一，可追溯至20世紀50年代。
微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是指對微米/納米材料進行設(shè)計、制造、測量和控制的技術(shù)。
MEMS壓力傳感器是利用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造的壓力傳感器。MEMS壓力傳感器在尺寸、精度、響應(yīng)速度等各方面均表現(xiàn)卓越。
MEMS壓力傳感器的分類
基于硅材料的MEMS壓力傳感器基于不同的工作原理，可將其分為三類：硅壓阻式、硅電容式和硅諧振式。
硅壓阻式壓力傳感器
壓阻效應(yīng)，是指當半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，引起能帶的變化，能谷的能量移動，使半導(dǎo)體電阻的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。
壓阻式壓力傳感器是利用壓阻效應(yīng)設(shè)計的壓力傳感器，其具有尺寸小、靈敏度高和快速響應(yīng)等特點，但其工藝復(fù)雜，易受溫度和振動的影響，需要溫度補償。
硅電容式壓力傳感器
硅電容式壓力傳感器是一種利用硅材料作為感應(yīng)元件，并將被測量變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的壓力傳感器。
它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號。
這種傳感器的優(yōu)點是靈敏度高、穩(wěn)定性好、線性范圍寬等，缺點是成本較高、容易受到溫度和濕度的干擾。
硅諧振式壓力傳感器
硅諧振式壓力傳感器是在硅材料上利用外界壓力變化導(dǎo)致諧振子諧振頻率的變化的原理，將被測量壓力變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率變化的壓力傳感器。
硅諧振式壓力傳感器，具有高精度、高分辨率、高抗干擾能力、適用于長距離傳輸、能直接與數(shù)字設(shè)備相連等特點，但其生產(chǎn)周期長、成本高、輸出頻率與被測量往往是非線性關(guān)系。
壓阻式壓力傳感器的工作原理
MEMS壓阻式壓力傳感器的敏感元件由敏感芯片和支撐襯底組成，敏感元件的初始特征參數(shù)固化了傳感器的多項關(guān)鍵參數(shù)指標，是傳感器的核心。
硅壓阻壓力敏感芯片是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件集成在同一單晶硅襯底基片上的敏感芯片。感知壓力的敏感元件是周邊密封固支的彈性硅平面膜片，膜片背面硅材料被去除，形成倒四邊錐體空腔。不同厚度的硅彈性膜片確定了不同壓力測量范圍、靈敏度、過載能力。
周邊密封固支的彈性硅平面膜片
為了優(yōu)化膜片周邊支撐側(cè)壁的強度、剛硬封裝應(yīng)力的隔離和芯片襯底的電絕緣性能，芯片硅襯底要層疊在熱漲特性匹配的厚玻璃基片上。層疊后空腔與環(huán)境大氣壓相通的芯片可用于表壓測量，空腔與環(huán)境大氣壓隔絕的芯片可用于絕壓測量。
將感知的被測壓力轉(zhuǎn)換成電信號的擴散硅壓阻電阻位于平膜片的上表層，常規(guī)設(shè)計是將壓阻電阻放置在平面膜片的邊緣或中心附近。當平膜片受到被測壓力作用發(fā)生形變時，在膜片小撓度 （膜片中心最大撓度遠小于500微應(yīng)變）前提下，利用壓阻電阻率變化，輸出一個與膜片撓度、即與壓力變化成線性變化的電信號。
為了優(yōu)化敏感芯片的測量性能，四個壓阻敏感電阻在平面上布局成的惠斯登電橋 (Wheatstone bridge)。當被測壓力作用時，其中一組對臂電阻增大、另一組對臂電阻減小，使惠斯登電橋的不平衡電壓輸出與被測壓力成線性變化。
壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用
MEMS壓阻式壓力傳感器在各個行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如航空航天、航海、石油化工、機械制造與自動化、水利水電、工業(yè)氣體、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等。
作為國內(nèi)MEMS壓力傳感器的先行者，昆山雙橋傳感器擁有50余年的技術(shù)積累和沉淀，產(chǎn)品在風工程、流體力學(xué)測量、空氣動力學(xué)測量、燃爆沖擊測量、巖土力學(xué)測量、航天航空、特種機器人、船舶、高鐵、特種車輛、微創(chuàng)醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中部分產(chǎn)品填補了國內(nèi)外空白。
