MEMS压力传感器及其应用

MEMS压力传感器及其应用来源：电子工程网发布者：OFweek电子工程网时间：2011年3月16日07:58MEMS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，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。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。一、压力传感器的发展历程现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段：（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。二、MEMS压力传感器原理MEMS压力传感器按原理分，有电容型、压阻型，压电式，金属应变式，光纤式等。重点介绍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电传感器。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。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。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。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。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绝压压力传感器。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，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小，即△压力=△电容量（图5）。电容式压力传感器实物如图6。三、MEMS压力传感器的种类与应用范围MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。比如针对汽车，压力传感器大有所为。在计量部门，汽车工业，航空，石油开采，家电产品，医疗仪器中应用广泛，如下表所示。压力量程/kPa应用精度/%FS0.1—100真空技术0.5高度计0.2血压计0.5水位计及流量测量0.3泄漏检测1.0机器人控制1.0100--2000汽车速度控制，点火控制，喷射控制0.5油位控制0.5冷却系统、空调0.5空气压缩机0.5水泵、油泵0.55000--50000压铸0.5~1.0材料检验0.5流体力学、空气动力学1.0阀门1.0结构设备1.0四、压力传感器应用、市场汽车无疑是MEMS压力传感器最大的市场。一辆高端的汽车一般都会有上百个传感器，包括30~50个MEMS传感器，其中就有十个左右的压力传感器。放眼众多种类的压力传感器的应用和市场前景，在轮胎压力监测系统（TirePressureMonitorSystem，TPMS）中应用的压力传感器，则是未来市场中最看好的部分。目前99%的TPMS中采用的压力传感器都是基于MEMS技术的，按照Yole预计，仅仅用于TPMS的MEMS压力传感器在2012年将达到$183M，用于汽车的MEMS传感器2010年的销售额达到了$662.3M，比2009年的$501.2M增长了32.1%。亚太地区的MEMS压力传感器市场年增长率为6.9%。2012年是一个重要的时间点。大多数的MEMS压力传感器政策截止时间都是在2012年，也就是说在2012年后，发达国家汽车市场TPMS和ESC两种应用都会成为标配。中国的汽车要出口到欧美发达市场都必须有以上配置，从这些国家进口的汽车也会带以上配置，这无疑将促进MEMS压力传感器的广泛应用。许多因素将推动轿车采用更多的MEMS传感器，2012年是一个重要的时间点。大多数的MEMS压力传感器政策截止时间都是在2012年，也就是说在2012年后，发达国家汽车市场TPMS和ESC两种应用都会成为标配，也就是说无论是进口还是出口的汽车也会带以上配置，这无疑将促进MEMS压力传感器的广泛应用。美国在2012年以前将强制汽车安装电子稳定系统（ESC），欧盟将在2014年以前。欧洲还将在2014年以前强制汽车安装TPMS，预计这些动态将提升总体销售额。ESC法将促进陀螺仪、加速度计和高压传感器的销售；而TPMS法则将促进MEMS压力传感器的出货量接近1.379亿，而2009年只有4290万个。汽车领域MEMS各类MEMS器件的市场份额（自下往上第二个则是PressureSensor）压力传感器、陀螺、加速度计三类MEMS器件的市场比例五、国内外供应商介绍1、意法半导体（STM）在2010年年底，STM新推出的MEMS压力传感器LPS001WP成功地实现从地下750米的深处到珠穆朗玛峰顶端都能够确定所在位置的海拔高度，智能手机以及其它便携设备在不久的未来将能够与这类传感器进行整合。新产品LPS001WP是一款微型压力传感器，采用创新的传感技术，能够精确地测量压力和海拔高度。该产品采用超轻巧、薄型封装，特别适用于智能手机、运动型手表、各种不同的便携设备、气象站，以及汽车和工业应用。这款产品的首要目标应用之一是进阶型的便携式GPS定位设备，传统的GPS定位功能只能确定设备的2D位置。在整合LPS001WP压力传感器后，同一款设备将能提供精确的3D定位功能；举例来说，当整合压力传感器的GPS导航手机发送紧急求助呼叫时，消防人员、医疗救护人员或警察人员将能根据接收到的呼叫信号确定事故发生的具体所在位置和楼层。LPS001WP的压力检测量程从300毫巴至1100毫巴，相当于从-750米到9000米海拔高度之间的气压，可检测到最小0.065毫巴的气压变化，相当于80厘米的海拔高度。该产品采用意法半导体独有的VENSENS制程，能够将压力传感器整合在单一晶片上，不但可以节省晶圆对晶圆的键合工序，还可最大幅度地提升产品的可靠性。另外，STM推出的面向手机及平板电脑的新款MEMS麦克风和MEMS压力传感器，为将来的增长奠定了基础。从2011年开始，这些产品将会提高意法半导体的利润。2博世（bosch）在压力传感器市场的地位也十分强大，尤其是面向中国市场歧管空气压力低压力型硅MEMS压力传感器。博世向许多中高档汽车供应此类传感器。根据中国许多城市推出的相当于EURO4的排放规定，压力传感器正在更多的汽车生产中得到采用。自1995年开始，博世公司的歧管空气压力低压力传感器开始占领市场，并且一直处于领先地位，在该领域获得质量最上乘的美誉。德国博世（RobertBosch）开发出了面向汽车轮胎气压警报系统（TPMS）的压力传感器模块”SMD400”，特点是增加了判断车辆停止状态、在车辆停止时降低消费电能的功能。压力检测使用压电元件，压力传感器的检测范围为0～600kPa，测定的压力值以无线方式传输给车辆内部配备的电子控制单元（ECU）。Bosch、ST、VTI三家公司MEMS器件的销售额对比3飞思卡尔（freescale）1980年Freescale凭借第一款压力传感器产品进入MEMS传感器市场。20世纪80年代中期，公司推出温度补偿压力传感器，并于80年代后期开始为汽车安全气囊市场开发第一款表面微机加速传感器。在过去的30年里，Freescale在汽车、消费、工业和医疗产品上实现重大变化，一直在传感器领域处于领先地位，最近其传感器装运量突破10亿只，取得重要里程碑。Freescale提供众多的压力传感器系列，包括不同的压力范围、各种封装和端口连接选项。基于MEMS技术的压力传感器为家用电器、医疗设备、消费电子、工业控制和汽车市场提供了强劲的解决方案。Freescale的压力传感器可用于极低压力的测量，压力测量范围从几个英寸水柱到150psi。大致分三类：未补偿硅压力传感器（如MPXC12DT1），补偿压力传感器（如MPX2300DT1），集成式硅压力传感器（如MPXx4006）4敏芯微电子技术有限公司公司的管理团队有着深厚的半导体封装和MEMS产业背景，公司的技术核心团队有着在国内外顶尖大学微电子实验室从事MEMS与集成电路（IC）技术研究的宝贵经验，拥有数项涉及MEMS关键技术的突破性发明和世界级科研成果。主要产品：MEMS微型硅麦克风（如MSMA42），硅压力传感器（如MPS40）。5北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司是目前国内第一家采用MEMS技术批量生产微型传感器的高新技术企业。公司以”北京大学微电子学研究院”和”微米/纳米加工技术国家级重点实验室”为技术依托，专门从事各种微型传感器的研发和生产。主要产品：MEMS压力传感器芯片、MEMS压力传感器、加速度传感器。六、国内外供应商及其产品介绍PT2XSubmersiblePressure/TemperatureSmartSensor-digitalRS485interface，noiseimmunity，thermalperformanceandtransientprotectionSeries960-OEMsensor，±0.01%FSaccuracy，frequencyoutputSeries970-Onboardmicroprocessor，±0.01%FSaccuracy，RS-485IntelligentDigitalPressureTransmittersforAerospaceApplicatio