微机电系统及纳米技术大作业--微压力传感器

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1、微机电系统及纳米技术大作业题目：微型压力传感器 微型压力传感器摘要：MEMS压力传感器是微系统世界里第一个出现的MEMS器件，该项技术已相当成熟 ，在当今的现代化产业中，压力传感器扮演了很重要的角色。由于MEMS压力传感器具有高性能、低成本和小尺寸等优点，被广泛地应用于汽车电子、工业控制、消费电子、航天航空和医疗领域等。MEMS压力传感器在每个领域中都在寻找新应用，例如：汽车领域的汽缸压力感测、医疗领域的循环正气压仪（CPAPM）、消费电子领域的智能手机（三星Galaxy S3的室内导航）和平板电脑。虽然所有这些新兴应用处于起步阶段，但是前途不可限量。关键字：MEMS，压力传感器1. 发展历程

2、1824年，正是由于瑞典化学家发现了硅，才为今天的电子工业革命奠定了材料基础。在1947年，Bell实验室利用半导体禇研制的第一个晶体管又为半导体产业奠定了基石。现如今，短短60年时间，微电子技术已成为了我们生活中不可或缺一部分。这其中，MEMS即微机电系统经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，MEMS技术也正在不动声色地改变着我们生活方式。喷墨打印机的喷墨头，智能手机的旋转感应，数码相机的防抖系统等等全部引入了MEMS技术。现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志， 而半导体传感器的发展可以分为四个阶段： （

3、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）于1945年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

4、、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-现在）：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

5、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了微米阶段。2. 压力传感器类型与原理压力传感器已经普遍使用在汽车、压力容器、气体输送管道和真空设备中。以汽车为例，汽车中进气歧管绝对压力传感器能够根据发动机的负荷状态测出进气歧管内绝对压力（真空度）的变化，并转换成电压信号，与转速信号一起输送到电控单位，作为确定喷油器基本喷油量的依据。测量压力的方法有很多种，基本原理就是把压力转化为敏感材料的长度和厚度等尺寸变化来测量。敏感元件可以是压阻计、谐振应变片或一个变化的电容。压力传感器中的弹性元件通常都采用金属或者半导

6、体膜。硅材料由于其蠕变小、耐疲劳、回滞小、小尺寸、高弹性模量和低密度的特点使压力传感器取得突破进展。按照读出原理不同，微压力传感器可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式和光纤式等不同形式。（1）.压阻式压力传感器作为应用最广的一类微型压力传感器，硅压阻式压力传感器出现于20世纪60年代，它也是第一类能进行批量生产的MEMS传感器。目前，硅压阻式压力传感器在全世界的年产量已上亿，应用于汽车进汽油管的压力测量，以控制注油量并淘汰了传统的汽化器。用作一次性的生理压力传感器，以避免交叉感染，还可用于汽车轮胎气压测量、水深测量等。   压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。用扩散

7、法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进行温度补偿等。此类压力传感器的优点是制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。存在的主要问题是对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的精确测量。图1所示为体加工得到的压阻式微型压力传感器的主体结构。压敏电阻沉积在弹性膜片表面上，一般位于膜片的固定边缘附近。电阻与膜片之间有一层SiO2作为隔离层。弹性膜片的典型厚度为数十微米，是从硅片背面刻蚀出来的。在线性工作范围内，压敏电阻感受膜片边缘的应变，输出一个与被测压力成正比的电信号。弹性膜片的厚度会严重影响受压变形后的挠度，因此当到达适当厚(深)度

8、时的刻蚀停止技术尤为关键。由于是从硅片背面进行硅膜刻蚀的，所以有可能与标准IC工艺相结合，将传感部分和处理电路做成一体。1983年丰田公司率先开发出带有片上电路的微型压力传感器。  压阻式传感器的工作原理可总结如下：压敏电阻与压力敏感膜片集成为一体；压力作用下，敏感膜片发生变形；压敏电阻值的变化对应膜片变形，从而间接反映出被测压力值；通过电桥电路对压敏电阻的变化值进行测量。图1  压阻式微型压力传感器的主体结构 （2）.谐振式压力传感器谐振式微型压力传感器分两种类型。第一种直接利用振动膜结构，谐振频率依赖于膜片的上下面压差。另一种是在膜片上制作振动结构，上下表面的

9、压差导致膜片翘曲，振动结构的谐振频率随膜片的应力而变化。  谐振式压力传感器可以获得很高精度，输出频率直接是数字信号，具有强的抗干扰能力。谐振式压力传感器的缺点是制造工艺相对复杂，振动元件若集成在压力敏感膜上，二者的机械耦合会引起一些问题。  图2所示为一种商业化的谐振式压力传感器。由两平行梁构成的H形谐振器集成在压力敏感膜片上，其中一根梁通激励电流，在磁场中受洛伦兹力影响而发生振动。另一根梁也处于磁场中，可以利用感应电压对振动进行检测，从而确定膜片的应力状态，进一步得到被测压力值。该谐振器工作在局部真空状态，减少了空气阻尼影响，获得高的Q值。  图2 采用谐振梁

10、的微型压力传感器（3）.电容式压力传感器电容式微型压力传感器通常是将活动电极固连在膜片表面上，膜片受压变形导致极板间距变化，形成电容变化值。这类传感器曾被用于紧急输血时的血压计，或用作眼内压力监测器，以检测青光眼等眼球内压反常升高的疾病等。  图3所示为通过体加工工艺得到的电容式微型压力传感器。由各向异性刻蚀单晶硅制作出敏感膜片，通过膜片周围的固定部分与两玻璃片键合在一起。为减小应力，硅材料与键合玻璃片的热膨胀系数要近似匹配。弹性膜片固连的活动电极和玻璃片上的固定极板构成电容器，同时膜片周围的固定部分与玻璃片之间还形成不受压力变形影响的参考电容。测量电路制作在同一硅片上，从而形成机电

11、单片集成的微型传感器。该传感器芯片的平面尺寸约为8mm×6mm。图3  电容式微压力传感器一般电容式压力微型传感器受温度影响很小，能耗低，相对灵敏度高于压阻式传感器，通常能获得30%50%的电容变化，而压阻器件的电阻变化最多只有2%5%。通过电容极板的静电力可以对外压力进行平衡，所以电容式结构还能实现力平衡式的反馈测量。  因为电容变化与极板间距成正比，因此非线形是变间距电容式传感器的固有特征之一。另外，输出电容变化信号往往很小，需要相对复杂的专门接口电路。接口电路要和传感器集成在同一芯片上，或尽量安装靠近传感器芯片的位置，以避免杂散电容的影响。（4）.压电式压力