分析MEMS壓力傳感器的原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用

MEMS主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。

MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)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(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就象近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動(dòng)頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測(cè)，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長(zhǎng)之勢(shì)，年平均增加率約為18%，因此對(duì)對(duì)機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路的設(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)，從而為消費(fèi)電子和工業(yè)過程控制產(chǎn)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(jiǎn)單、易用和智能化。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過一個(gè)厘米，相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)，其性價(jià)比大幅度提高。

    圖1 惠斯頓電橋電原理

    圖2 應(yīng)變片電橋的光刻版本

    圖3 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

美國Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室的Panos Datskos與Nickolay Lavrik使用MEMS傳感器檢測(cè)出5.5 fs的物質(zhì)，創(chuàng)造了一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄。其使用的只有2 tun長(zhǎng)、50 am厚的硅懸臂，由一種廉價(jià)的二極管激光器振動(dòng)。

Datskos計(jì)劃提高M(jìn)EMS傳感器的靈敏度，通過將諧振頻率從目前的2 MHz提高到50 MHz，并且相應(yīng)地使懸臂更小、更硬，最終完成檢測(cè)單個(gè)分子的目標(biāo)。

飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale）推出3款具備高感應(yīng)度的傳感器，采用微機(jī)電制成的MMA6270Q（XY一軸）、MMA6280Q（ 一軸）和MMA7261Q（XYZ一軸）傳感器，為鎖定低成本消費(fèi)電子市場(chǎng)的低重力（1ow—g）傳感器，可以探測(cè)透過微小的力量變化就可導(dǎo)致的墜落、傾斜、移動(dòng)、定位和振動(dòng)。

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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(jī)械電子傳感器。

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(cè)量電路的，具有較高的測(cè)量精度、較低的功耗和極低的成本。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2。

MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)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(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度能達(dá)0.01-0.03%FS。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(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)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(hào)。圖4是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。

  圖4 硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物

   圖6 電容式壓力傳感器實(shí)物

      圖5 電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

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小，即△壓力=△電容量（圖5）。電容式壓力傳感器實(shí)物如圖6。

MEMS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(dòng)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(dòng)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。

典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應(yīng)變片組成的惠斯頓電橋，右為管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產(chǎn)各種壓力傳感器產(chǎn)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(gè)封裝內(nèi)（MCM），使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很容易使用這個(gè)高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品。

MEMS壓力傳感器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售鏈

MEMS壓力傳感器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售鏈如圖9所示。目前集成電路的4寸圓晶片生產(chǎn)線的大多數(shù)工藝可為MEMS生產(chǎn)所用。但是需要增加雙面光刻機(jī)、濕法腐蝕臺(tái)和鍵合機(jī)三項(xiàng)MEMS特有的工藝設(shè)備。壓力傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)廠商需要增加價(jià)格不菲的標(biāo)準(zhǔn)壓力檢測(cè)設(shè)備。

對(duì)于MEMS壓力傳感器生產(chǎn)廠家來說，開拓汽車電子以及消費(fèi)電子領(lǐng)域的銷售經(jīng)驗(yàn)和渠道是十分重要和急需的。特別是汽車電子對(duì)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(gè)。

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MEMS芯片在設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)方面與IC的異同

與傳統(tǒng)IC行業(yè)注重二維靜止的電路設(shè)計(jì)不同，MEMS以理論力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合電路知識(shí)設(shè)計(jì)三維動(dòng)態(tài)產(chǎn)品。對(duì)于在微米尺度進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)更多地依靠經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)工具（Ansys）也與傳統(tǒng)IC（如EDA）不同。MEMS加工除了使用大量傳統(tǒng)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(tǒng)IC，工藝簡(jiǎn)單，光刻步驟少，MEMS生產(chǎn)的一些非標(biāo)準(zhǔn)的特殊工藝，工藝參數(shù)需要按照產(chǎn)品的要求來進(jìn)行調(diào)整。由于需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)三方面的密切配合，IDM的模式要優(yōu)于Fabless+Foundry的模式。MEMS對(duì)封裝技術(shù)的要求很高。傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商的4〃生產(chǎn)線正面臨淘汰，即使用來生產(chǎn)LDO，其利潤(rùn)也非常低，但是，如果生產(chǎn)MEMS，則可獲得較高的利潤(rùn)。4〃線上的每一個(gè)圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die5-6K個(gè)，每個(gè)出售后，可獲成本7-10倍的毛利（如圖10）。轉(zhuǎn)產(chǎn)MEMS對(duì)廠家的工藝要求改動(dòng)不大，新增輔助設(shè)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(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，也是傳統(tǒng)IC廠商的新機(jī)遇。圖11是MEMS在4〃圓晶片生產(chǎn)線上。

4〃生產(chǎn)MEMS壓力傳感器成本估計(jì)

4”圓晶片生產(chǎn)線生產(chǎn)MEMS壓力傳感器成本估計(jì)如表所示，新增固定成本是指為該項(xiàng)目投入的人員成本和新設(shè)備的折舊（人員：專家1名+MEMS設(shè)計(jì)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(shè)備投入650萬元，按90%四年折舊計(jì)算）；現(xiàn)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(jià)格。

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。它具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高、技術(shù)附加值高，適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。