分析MEMS压力传感器的原理设计与应用.doc

分析MEMS压力传感器的原理设计与应用     MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分,它是在融合多种微细加工技术,并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。     MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业,采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业,就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样,MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测,未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势,年平均增加率约为18%,因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。     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。相对于传统的机械量传感器,MEMS压力传感器的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,相对于传统“机械”制造技术,其性价比大幅度提高。              图1惠斯顿电桥电原理             图2应变片电桥的光刻版本             图3硅压阻式压力传感器结构     ,创造了一项新的世界纪录。其使用的只有2tun长、50am厚的硅悬臂,由一种廉价的二极管激光器振动。     Datskos计划提高MEMS传感器的灵敏度,通过将谐振频率从目前的2MHz提高到50MHz,并且相应地使悬臂更小、更硬,最终完成检测单个分子的目标。     飞思卡尔半导体(Freescale)推出3款具备高感应度的传感器,采用微机电制成的MMA6270Q(XY一轴)、MMA6280Q(一轴)和MMA7261Q(XYZ一轴)传感器,为锁定低成本消费电子市场的低重力(1ow—g)传感器,可以探测透过微小的力量变化就可导致的坠落、倾斜、移动、定位和振动。     MEMS压力传感器原理     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。     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、较低的功耗和极低的成本。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,-%FS。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