MEMS压力传感器介绍

MEMS压力传感器可以用类似集成电路的设计技术和制造工艺进行高精度、低成本的大批量生产,从而为通过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基于金属弹性体受力变形,即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(集成电路)那么微小,且制作成本远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量压力传感器,MEMS压力传感器的尺寸更小,最大的不超过1 cm,使性价比相对于传统机械制造技术大幅度提高。

MEMS压力传感器产品的市场前景

MEMS压力传感器的主要结构形式如图6.4所示。传感器元件通常由尺寸从几微米到几毫米见方的薄硅片组成。在硅片的一面刻上一个空腔,空腔的顶部就成了一个可以在流体压力作用下变形的薄膜,硅薄膜的厚度通常为几微米到几十微米。在图6.4中,P1为参考压力,P2为被测量的压力。受到外界压力后,P2大于P1,使薄膜产生形变(通常小于1μm),形变信息形变信息可以通过不同的转换方式转变成电信号输出。

图6.4　MEMS压力传感器的横截面示意图

图6.5所示为MEMS压力传感器的四种主要结构形式。按照参考空腔是否密封,MEMS压力传感器可分为两类。一类为密封测量,即测量输入压力与一个密封的参考空腔的压力差,图6.5中的绝对式和密封量仪式就是这类传感器。绝对式的参考空腔是一个真空腔,测得压力差是以真空作为参考压力的“绝对”值,而密封量仪式的参考空腔有参考气压。一般来说绝对式是更好的选择,因为其参考压力不受温度影响。另一类为非密封测量,即测量两个端口输入的压力差,图6.5中的量仪式和差动式就是这类传感器。量仪式的一个端口所输入的压力为环境压力,而差动式的两个端口所输入的压力都是外界输入的压力。

按照原理不同,MEMS压力传感器可以分为压阻式、电容式和压电式,其中绝大部分为压阻式。压阻式MEMS压力传感器在{100}硅膜上扩散四个等阻值的P型压力电阻。两个电阻的主轴平行于膜边,薄膜弯曲时其阻值降低。另外两个电阻的主轴垂直于膜片,薄膜弯曲时其阻值增加。用导线将四个电阻构成为图6.6所示的惠更斯电桥。在被测压力作用下,膜片产生应力和应变,四个电阻将施加在薄膜上的压力转换为自身电阻的变化,然后将其转变为电压信号输出。如图6.6所示,电阻R1和R3被拉长,阻值增加,而R2和R4的阻值减小。输出电压的变化如下:

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其中,Vo和Vin分别是待测电压和外加电压。

图6.5　MEMS压力传感器的四种主要结构形式

这种压力传感器的可测压力范围为1 kPa～105 kPa。膜片的厚度和几何尺寸会影响传感器的灵敏度和测压范围。额定压力非常低的设备(小于10 kPa)通常包含复杂的膜结构,例如,中间加凸起,以将压力集中在压阻式MEMS压力传感器附近,从而改进灵敏度和线性度。压阻式MEMS压力传感器有较大的增益,在平面应力和输出的电阻变化之间有很好的线性关系。它的主要缺点是对温度敏感,因为温度的变化可能使四个电阻的阻值失配,造成惠更斯电桥的不平衡。

图6.6　惠更斯电桥

大多数商用MEMS压力传感器的额定温度在-40℃～125℃范围内,涵盖了汽车和军用规格。温度超过125℃时,PN 结之间的漏电流增加,使得传感器性能明显下降。使用SOI(绝缘体上硅)技术可以提高传感器的工作温度,原理是将传感元件置于二氧化硅层之上,进而消除了所有的PN 结,相邻的传感元件被隔开。只要所加电压低于绝缘氧化物层的击穿电压,漏电流就会完全消除。GE NovaSensor公司的高温MEMS压力传感器采用SOI技术,在二氧化硅层上放置P型晶体硅压阻电阻器,额定温度可达到300℃,如图6.7所示。

图6.7　基于SOI的高温MEMS压力传感器的照片