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MEMS压力传感器是什么?它的工作的原理是什么?

时间:2023-09-05 17:17:29来源:21ic电子网

导语:​MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写,即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术(micro/nanotechnology)基础上的21世纪前沿技术,是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令,还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

  MEMS用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺,制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。 微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术,该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。MEMS压力传感器就是一种基于微电子机械系统(MEMS)技术制造的压力传感器。MEMS压力传感器利用微机械结构和电子元件相结合的方式来测量压力值,并将其转换成电信号输出。

  MEMS压力传感器由微电子机械系统技术制造而成,通常由微机械结构和电子元件组成。其中微机械结构通常包括薄膜、弹簧、振膜等,而电子元件则包括电容、电阻、电感等。当外部压力施加到MEMS压力传感器的振膜上时,振膜发生微小的变形,这个变形会引起微机械结构中的弹簧或薄膜的变形。这个变形会导致微机械结构中的电容、电阻等电子元件发生微小的变化。这些变化可以被电路测量和放大,转换成电信号输出。通过测量输出电信号的大小,就可以确定外部压力的大小。

  MEMS压力传感器具有小型化、高精度、高灵敏度、低功耗等特点,广泛应用于工业、医疗、汽车、航空航天等领域。例如,MEMS压力传感器可以用于测量液体或气体的压力,以及测量血压、呼吸等生理信号。由于其高性能和低成本的优势,MEMS压力传感器已成为压力传感器领域的重要技术之一。

  MEMS传感器的种类根据其工作作用、工作原理、工作环境的不同种类繁多,今天主要介绍的是其中的一种:MEMS压力传感器。目前的MEMS压力传感器有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械电子传感器。

  (1)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。

  (2)电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横格栅状,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。

  MEMS传感器的加工工艺需要用到MEMS技术,基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。它与传统的IC工艺有许多相似之处,如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等,但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现,必须采用微加工技术制造。微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺,包括湿法刻蚀和干法刻蚀,是实现三维结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺,通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜,然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷基板具有更牢,更低阻的金属膜层,陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ~135 ℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。

  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。随着物联网时代的逐步到来,传感器现正被广泛应用于包括各类智能终端、智能汽车、生物医疗等在内的众多新兴领域,需求量与日俱增。

标签: 压力传感器

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