MEMS压力传感器原理与应用简介锈钢板

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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、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

2、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（1960-1970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（

3、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。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入

4、了微米阶段。3MEMS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LordKelvin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,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

5、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：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

6、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

7、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，制成智能传感器。这种传感器