MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用

1410322119張官濤1ppt課件MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用主要內(nèi)容1.什么MEMS壓力傳感器2.壓力傳感器的發(fā)展歷程3.MEMS壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu)

3.1硅壓阻式MEMS壓力傳感器

3.2硅電容式MEMS壓力傳感4.MEMS壓力傳感器的應(yīng)用2ppt課件主要內(nèi)容1.什么MEMS壓力傳感器2ppt課件1什么是MEMS壓力傳感器MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、執(zhí)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器件或系統(tǒng)。MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路（IC）設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝，進(jìn)行高精度、低成本的大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形，由機(jī)械量彈性變形到電量轉(zhuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于MEMS壓力傳感器。相對于傳統(tǒng)的機(jī)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(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高。3ppt課件1什么是MEMS壓力傳感器MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是指集微2壓力傳感器的發(fā)展歷程（1）發(fā)明階段（1945-1960年）：這個階段主要是以1947年雙極性晶體管的發(fā)明為標(biāo)志。此后，半導(dǎo)體材料的這一特性得到較廣泛應(yīng)用。史密斯（C.S.Smith）與1945發(fā)現(xiàn)了硅與鍺的壓阻效應(yīng)，即當(dāng)有外力作用于半導(dǎo)體材料時，其電阻將明顯發(fā)生變化。依據(jù)此原理制成的壓力傳感器是把應(yīng)變電阻片粘在金屬薄膜上，即將力信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行測量。此階段最小尺寸大約為1cm。（2）技術(shù)發(fā)展階段（1960-1970年）：隨著硅擴(kuò)散技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)人員在硅的（001）或（110）晶面選擇合適的晶向直接把應(yīng)變電阻擴(kuò)散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成較薄的硅彈性膜片，稱為硅杯。這種形式的硅杯傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了金屬-硅共晶體，為商業(yè)化發(fā)展提供了可能。4ppt課件2壓力傳感器的發(fā)展歷程（1）發(fā)明階段（1945-（3）商業(yè)化集成加工階段（1970-1980年）：在硅杯擴(kuò)散理論的基礎(chǔ)上應(yīng)用了硅的各向異性的腐蝕技術(shù)，擴(kuò)散硅傳感器其加工工藝以硅的各項(xiàng)異性腐蝕技術(shù)為主，發(fā)展成為可以自動控制硅膜厚度的硅各向異性加工技術(shù)，主要有V形槽法、濃硼自動中止法、陽極氧化法自動中止法和微機(jī)控制自動中止法。由于可以在多個表面同時進(jìn)行腐蝕，數(shù)千個硅壓力膜可以同時生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了集成化的工廠加工模式，成本進(jìn)一步降低。（4）微機(jī)械加工階段（1980年-）：上世紀(jì)末出現(xiàn)的納米技術(shù)，使得微機(jī)械加工工藝成為可能。通過微機(jī)械加工工藝可以由計(jì)算機(jī)控制加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器，其線度可以控制在微米級范圍內(nèi)。利用這一技術(shù)可以加工、蝕刻微米級的溝、條、膜，使得壓力傳感器進(jìn)入了微米階段。5ppt課件（3）商業(yè)化集成加工階段（1970-1980年）3MEMS壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu)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(jī)械電子傳感器。6ppt課件3MEMS壓力傳感器原理與結(jié)構(gòu)目前的MEMS壓力傳感器有

半導(dǎo)體受力時，電阻率發(fā)生變化，電阻率隨應(yīng)力變化的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的變化主要是電阻率變化引起的，表示為

由于彈性系數(shù)E=σ/ε，上式又可寫為

為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。

3.1硅壓阻式壓力傳感器7ppt課件3.1硅壓阻式壓力傳感器7ppt課件

硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)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。由惠斯頓電橋組成的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零。

其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2。

圖1惠斯頓電橋電原理

8ppt課件硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)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(dá)0.01%～0.03%FS。圖2應(yīng)變片電橋的光刻版本

9ppt課件MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形

硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)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(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖2的電阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個電阻應(yīng)變片因此而發(fā)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IC的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。

圖3硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

圖4硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物

10ppt課件硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，上下二層是電容式傳感器的工作原理

電容式傳感器有三種基本類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。

(1)、變極距型電容傳感器3.2硅電容式壓力傳感器11ppt課件電容式傳感器的工作原理3.2硅電容式壓力傳感器11pp(2)、變面積型電容傳感器

(3)、變介電常數(shù)型電容傳感器

12ppt課件(2)、變面積型電容傳感器12ppt課件

硅電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)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?。▓D5）。電容式壓力傳感器實(shí)物如圖6。

圖5電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

圖6電容式壓力傳感器實(shí)物

13ppt課件硅電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制4MEMS壓力傳感器的應(yīng)用

MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子：如TPMS、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器；消費(fèi)電子：如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調(diào)壓力傳感器，洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業(yè)電子：如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。14ppt課件4MEMS壓力傳感器的應(yīng)用MEMS壓力

在計(jì)量部門，汽車工業(yè)，航空，石油開采，家電產(chǎn)品，醫(yī)療儀器中應(yīng)用廣泛，如下表所示。15ppt課件在計(jì)量部門，汽車工業(yè)，航空，石油開采，家電產(chǎn)如圖7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(nèi)（MCM），使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很容易使用這個高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品。圖7各種壓力傳感器產(chǎn)品

16ppt課件如圖7所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管

汽車無疑是MEMS壓力傳感器最大的市場。一輛高端的汽車一般都會有上百個傳感器，包括30~50個MEMS傳感器，其中就有十個左右的壓力傳感器。放眼眾多種類的壓力傳感器的應(yīng)用和市場前景，在輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TirePressureMonitorSystem，TPMS）中應(yīng)用的壓力傳感器，則是未來市場中最看好的部分。17ppt課件汽車無疑是MEMS壓力傳感器最大的市場。一輛高18ppt課件18ppt課件19ppt課件19ppt課件國內(nèi)外主要供應(yīng)商1)意法半導(dǎo)體（STM）2)博世（bosch）3)飛思卡爾（freescale）4)敏芯微電子技術(shù)有限公司5)北京青鳥元芯微系統(tǒng)科技有限責(zé)任公司20ppt課件國內(nèi)外主要供應(yīng)商1)意法半導(dǎo)體（STM）20ppt課結(jié)束語

當(dāng)前,MEMS技術(shù)正處于高速發(fā)展前