1、主要内容 1.什么 MEMS压 力 传 感器 2.压 力 传 感器的 发 展 历 程 3.MEMS压 力 传 感器原理与 结 构3.1 硅 压 阻式 MEMS压 力 传 感器3.2 硅 电 容式 MEMS压 力 传 感 4.硅 压 阻制造相关技 术 5.MEMS压 力 传 感器的 应 用压 力 传 感器是使用最 为 广泛的一种 传 感器。（ 1） 传统 的 压 力 传 感器 为 机械 结 构型的器件 。以 弹 性元件的形 变 指示 压 力。（ 2）新型 压 力 传 感器 以半 导 体 为 材料 。特点是体 积 小、 质 量 轻 、准确度高、 温 度 特性好 ， 向着微型化 发 展，而且其功耗小
2、、可靠性高。1.什么 是压力传感器 ？2 压力传感器的发展历程（ 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 （ 196
3、0 - 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
4、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
5、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。3 MEMS压力传感器原理与结构目前 的 MEMS压 力 传 感器1.硅 压 阻式 压 力 传 感器2.硅 电 容式 压 力 传 感器两者 都是在硅片上生成的微机械 电 子 传 感器3.1 硅 压 阻式 压 力 传 感器Lord Kelvin在 1856年首先 发现 材料的 压 阻效应 。当 导电 材料受到 变 形或者是 应变 的 时 候 ,内部载 流子改 变 运 动 状 态 ,导 致 导电 材料的 电 阻率 (或 电导 率 )发 生改 变 ,从而 电 阻的阻 值 就会 发 生相应 的 变 化。正是 这 种效 应
6、 ,为压 力等机械能和 电能之 间 提供了一种 简单 而直接的能量信号 转换机制。横截面 积为 A、 长 度 为 l的 电 阻 ,根据欧姆定理 ,其 电 阻阻 值 及可由下式 给 出 :压 阻式 压 力 传 感器通常使用硅材料制造，采用光刻、掩膜、 扩 散或离子注入等工 艺 ，在 单 晶硅膜边缘处 制作 4个 电 阻并 连 接成惠斯 顿电桥结 构。压力传感器工作原理示意图在 实际 工 艺 中，往往用 “预 淀 积 ”+“再分布 ”的两步 扩 散法。第一步：在 较 低的温度下 进 行短 时间 的恒定表面源 扩 散， 扩 散深度很浅，目的是控制 进入硅片的 杂质总 量，称（ 预 淀 积 ）。第二步
7、：以 预扩 散 杂质 分布作 为掺杂 源，高温下 进 行有限表面源的推 进扩 散，使 杂质 向硅片内部推 进 ，重新分布，通 过 控制 扩 散温度和 时间 以 获 得 预 期的表面 浓 度和 结 深（分布），又称 “再分布 ”、主 扩 散。作用： 较 好地解决了表面 浓 度、 结 深与 扩散温度、 时间 之 间 的矛盾。压 力 传 感器 的典型 例子把 电 阻置于 弹 性膜片 边缘处 ，目的是当 弹 性膜片受到 压 力 时 ，电 阻受到的 应 力最大，从而 压 敏 电 阻的阻 值变 化最大，提高灵敏度。 4个 电 阻中的两个平行于膜片 边缘 ，另外两个垂直于膜片 边缘 。理想情况下 ,当外界无
8、 压 力 时 ,取 R1=R2=R3=R4=R， 电桥处 于平衡 态 ， 传 感器芯片 输 出 电压为 零，基本无能量 损 耗， 电桥输 出为 ：当外界 压 力使膜片 发 生形 变时 ，惠斯 顿电桥 中四个 电 阻的变 化相当，其中两个 电 阻阻 值变 大，另外两个 电 阻阻 值 减小，其关系 为 :R1= -R2=R3=-R4=R。此 时电桥输 出 为 :Vo是无外界 压 力 时电桥 的 输 出。硅 压 阻式 压 力 传 感器 结 构如 图 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 压 力 传 感器。 应 力硅
9、薄膜与真空腔接触 这 一面 经 光刻生成 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， 电桥输 出与压 力成正比的 电压 信号。硅压阻式压力传感器结构 周 边 固定支撑的 电 阻和硅膜片的一体化硅杯式 扩 散型 压 力 传感器。它不 仅 克服了粘片 结 构的固有缺陷，而且能将 电 阻条、 补偿电 路和信号 调 整 电 路集成在一 块 硅片上，甚至将微型 处 理器与传 感器集成在一起，制成智能
10、传 感器。这 种 传 感器的 优 点是 : 频 率响 应 高 (例如有的 产 品固有 频 率达 1.5兆赫以上 )，适于 动态测 量。 体 积 小（例如有的 产 品外径可达 0.25毫米），适于微型化； 精度高，可达 0.1 0.01%； 灵敏高，比金属 应变计 高出很多倍，有些 应 用 场 合可不加放大器； 无活 动 部件，可靠性高，能工作于振 动 、冲 击 、腐 蚀 、 强 干扰 等 恶 劣 环 境。其缺点是温度影响 较 大（有 时 需 进 行温度 补偿）、工 艺较 复 杂 和造价高等。3.2 硅电容式压力传感器v 电 容式 传 感器的工作原理 优 点： 灵敏度高，功耗比 压 阻式低， 稳
11、 定性好 缺点： 需要复 杂 的 电 路，容易引入 杂 散 电 容电 容式 传 感器基本 类 型： 变 极距型、 变 面 积型、 变 介 电 常数型。(1)、 变 极距型 电 容 传 感器 双凹槽接触式电容压力传感器 DTMCPS(2)、 变 面 积 型 电 容 传 感器 (3)、 变 介 电 常数型 电 容 传 感器 硅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。电容式压力传感器结构 4.硅压阻制造相关技术生产的半自动化和自动化无应力的组装技术双面光刻工艺
12、各向异性化学腐蚀离子注入技术压阻芯片膜片制造硅压阻制造相关技术1.压 阻芯片 膜片制造a.工 艺 主要步 骤 ：切磨抛硅片 ,氧化工 艺 , 外延工 艺 , 扩 散技 术b.常 规 工 艺 法：多晶硅膜片制造法 ;多晶硅固支硅 杯制造法 ;外延硅膜片制造法2.离子注入技 术a. 主要特性： 电 阻精度高 ，均匀性良好，温度系数小b.可以良好的保 证 惠斯登 电压 四个 电 阻等 值 , 特 别 是适合制造小型、超小型 压 力 传 感器c.现 在可以制成 压 敏 电 阻条尺寸 为 25.4x2.54x2微米3.双面光刻工 艺4.主要特性： a.进 行硅 杯腐 蚀 同 时 控制硅杯膜片厚度b.腐
13、蚀 溶液要依据硅杯膜后的晶向来 选择各向异性 化腐蚀技术a.工艺流程： 将硅片两面同时匀胶 前烘 两面曝光 坚膜 显影和 腐蚀b. 主要特性：简化工序、节省材料、提高效率、降低成本5.无应力的组装技术a.主要特性：性能稳定、可靠性高、适合各种压力测量b.技术关键：保证组装结构无残余应力选择与硅片材料热膨胀系数相同的材料c.核心技术： 1.静电封装和烧结来熔接硅芯片2.不诱钢管壳和电子束焊接来密封6.生产的半自动化和自动化自动控制扩散炉自动光刻机5 MEMS压力传感器的应用 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
14、 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。 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。 如 图 7所示。 MEMS压 力 传 感器管芯可以与 仪 表放大器和 ADC管芯封装在一个封装内（ MCM），使 产
15、 品 设计师 很容易使用 这 个高度集成的 产 品 设计 最 终产 品。图 7 各种压力传感器产品 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 3050 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（ Tire Pressure Monitor System， TPMS）中应用的压力传感器，则是未来市场中最看好的部分。安全气囊安全气囊一般由 传 感器 (sensor)、 电 控 单 元 (ECU)、气体 发 生器(inflator)、气囊 (bag)、 续 流器 (clocksprin
16、g)等 组 成。传 感器感受汽 车 碰撞 强 度，并将感受到的信号 传 送到控制器，控制器接收 传 感器的信号并 进 行 处 理 。 安全气囊最重要的指 标 是可靠性 。 为 了 监测传 感器、 电 子 电 路、气体 发 生器；系 统 一般 还 有故障 诊 断模 块 、并 设 有信号灯于予以 显 示。汽 车 安全气囊系 统 系 统 一般有左右 挡 板 传 感器各一个， 还 有一个 传感器放在含有 诊 断模 块 的控制器中。当 发 生前面碰撞 时 ，两个 挡 板 传 感器中只要有一个 闭 合， 诊 断模 块 就会根据送来的信号 进 行 处 理和判断，认为 有必要点火后 时 即 发 出点火信号使气囊充气。
