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MEMS压力传感器的原理与应用
来源:传感器专家网  浏览次数:727  发布时间:2024-06-03

什么是MEMS压力传感器


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MEMS是Micro Electro Mechanical systems的缩写,即微电子机械系统。MEMS技术被誉为21世纪具有革命性的高新技术之一,可追溯至20世纪50年代。


微电子机械系统(MEMS)技术是指对微米/纳米材料进行设计、制造、测量和控制的技术。


MEMS压力传感器是利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、键合等技术)相结合的制造工艺,制造的压力传感器。MEMS压力传感器在尺寸、精度、响应速度等各方面均表现卓越。


MEMS压力传感器的分类


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基于硅材料的MEMS压力传感器基于不同的工作原理,可将其分为三类:硅压阻式、硅电容式和硅谐振式。


硅压阻式压力传感器

压阻效应,是指当半导体材料受到应力作用时,引起能带的变化,能谷的能量移动,使半导体电阻的电阻率发生变化的现象。

压阻式压力传感器是利用压阻效应设计的压力传感器,其具有尺寸小、灵敏度高和快速响应等特点,但其工艺复杂,易受温度和振动的影响,需要温度补偿。


硅电容式压力传感器

硅电容式压力传感器是一种利用硅材料作为感应元件,并将被测量变化转换成电容量变化的压力传感器。

它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

这种传感器的优点是灵敏度高、稳定性好、线性范围宽等,缺点是成本较高、容易受到温度和湿度的干扰。 


硅谐振式压力传感器

硅谐振式压力传感器是在硅材料上利用外界压力变化导致谐振子谐振频率的变化的原理,将被测量压力变化转换成谐振频率变化的压力传感器。

硅谐振式压力传感器,具有高精度、高分辨率、高抗干扰能力、适用于长距离传输、能直接与数字设备相连等特点,但其生产周期长、成本高、输出频率与被测量往往是非线性关系。


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压阻式压力传感器的工作原理


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MEMS压阻式压力传感器的敏感元件由敏感芯片和支撑衬底组成,敏感元件的初始特征参数固化了传感器的多项关键参数指标,是传感器的核心。


硅压阻压力敏感芯片是敏感元件与转换元件集成在同一单晶硅衬底基片上的敏感芯片。感知压力的敏感元件是周边密封固支的弹性硅平面膜片,膜片背面硅材料被去除,形成倒四边锥体空腔。不同厚度的硅弹性膜片确定了不同压力测量范围、灵敏度、过载能力。


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周边密封固支的弹性硅平面膜片

为了优化膜片周边支撑侧壁的强度、刚硬封装应力的隔离和芯片衬底的电绝缘性能,芯片硅衬底要层叠在热涨特性匹配的厚玻璃基片上。层叠后空腔与环境大气压相通的芯片可用于表压测量,空腔与环境大气压隔绝的芯片可用于绝压测量。


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将感知的被测压力转换成电信号的扩散硅压阻电阻位于平膜片的上表层,常规设计是将压阻电阻放置在平面膜片的边缘或中心附近。当平膜片受到被测压力作用发生形变时,在膜片小挠度 (膜片中心最大挠度远小于500微应变)前提下,利用压阻电阻率变化,输出一个与膜片挠度、即与压力变化成线性变化的电信号。


为了优化敏感芯片的测量性能,四个压阻敏感电阻在平面上布局成的惠斯登电桥 (Wheatstone bridge)。当被测压力作用时,其中一组对臂电阻增大、另一组对臂电阻减小,使惠斯登电桥的不平衡电压输出与被测压力成线性变化。


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压阻式压力传感器的应用

MEMS压阻式压力传感器在各个行业和领域应用广泛,如航空航天、航海、石油化工、机械制造与自动化、水利水电、工业气体、生物医学工程、气象、地质、地震测量等。


作为国内MEMS压力传感器的先行者,昆山双桥传感器拥有50余年的技术积累和沉淀,产品在风工程、流体力学测量、空气动力学测量、燃爆冲击测量、岩土力学测量、航天航空、特种机器人、船舶、高铁、特种车辆、微创医学、工业控制等领域广泛应用,其中部分产品填补了国内外空白。