压力传感器原理与应用简介锈钢板.pptx

主要内容主要内容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。1.1.什么什么是压力传感器是压力传感器？2 2 压力传感器的发展历程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（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了微米阶段。3 MEMS3 MEMS压力传感器原理与结构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Lord Kelvin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。这种传感器的优点是:频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上)，适于动态测量。体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；精度高，可达0.10.01%；灵敏高，比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大（有时需进行温度补偿）、工艺较复杂和造价高等。3.2 硅电容式压力传感器v电容式传感器的工作原理 优点：灵敏度高，功耗比压阻式低，稳定性好 缺点：需要复杂的电路，容易引入杂散电容电容式传感器基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。(1)、变极距型电容传感器 双凹槽接触式电容压力传感器DTMCPS(2)、变面积型电容传感器 (3)、变介电常数型电容传感器 硅电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，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。电容式压力传感器结构电容式压力传感器结构4.4.硅压阻制造相关技术硅压阻制造相关技术生产的半自动化和自动化无应力的组装技术双面光刻工艺各向异性化学腐蚀离子注入技术压阻芯片膜片制造硅压阻制造硅压阻制造相关技术相关技术 1.1.压阻芯片阻芯片膜片制造膜片制造a.工艺主要步骤：切磨抛硅片,氧化工艺,外延工艺,扩散技术b.常规工艺法：多晶硅膜片制造法;多晶硅固支硅杯制造法;外延硅膜片制造法2.2.离子注入技离子注入技术a.主要特性：电阻精度高，均匀性良好，温度系数小b.可以良好的保证惠斯登电压四个电阻等值,特别是适合制造小型、超小型压力传感器c.现在可以制成压敏电阻条尺寸为25.4x2.54x2微米3 3.双面光刻工双面光刻工艺4.主要特性：a.进行硅杯腐蚀同时控制硅杯膜片厚度 b.腐蚀溶液要依据硅杯膜后的晶向来选择各向异性各向异性化腐蚀技术化腐蚀技术a.工艺流程：将硅片两面同时匀胶前烘两面曝光坚膜显影和腐蚀b.主要特性：简化工序、节省材料、提高效率、降低成本5.5.无应力的组装技术无应力的组装技术a.主要特性：性能稳定、可靠性高、适合各种压力测量b.技术关键：保证组装结构无残余应力选择与硅片材料热膨胀系数相同的材料c.核心技术：1.静电封装和烧结来熔接硅芯片2.不诱钢管壳和电子束焊接来密封6.生产的半自动化和自动化生产的半自动化和自动化自动控制扩散炉自动光刻机5 MEMS压力传感器的应用 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。在计量部门，汽车工业，航空，石油开采，家电产品，医疗仪器中应用广泛，如下表所示。如图7所示。MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内（MCM），使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。图图7 各种压力传感器产品各种压力传感器产品汽车无疑是MEMS压力传感器最大的市场。一辆高端的汽车一般都会有上百个传感器，包括3050个MEMS传感器，其中就有十个左右的压力传感器。放眼众多种类的压力传感器的应用和市场前景，在轮胎压力监测系统（TirePressureMonitorSystem，TPMS）中应用的压力传感器，则是未来市场中最看好的部分。安全气囊 安全气囊一般由传感器(sensor)、电控单元(ECU)、气体发生器(inflator)、气囊(bag)、续流器(clockspring)等组成。传感器感受汽车碰撞强度，并将感受到的信号传送到控制器，控制器接收传感器的信号并进行处理。安全气囊最重要的指标是可靠性。为了监测传感器、电子电路、气体发生器；系统一般还有故障诊断模块、并设有信号灯于予以显示。汽车安全气囊系统系统一般有左右挡板传感器各一个，还有一个传感器放在含有诊断模块的控制器中。当发生前面碰撞时，两个挡板传感器中只要有一个闭合，诊断模块就会根据送来的信号进行处理和判断，认为有必要点火后时即发出点火信号使气囊充气。碰撞传感器 对于各汽车制造厂生产的车辆，碰撞传感器的安装位置不尽相同，而且碰撞传感器的名称也不统一，例如有些碰撞传感器按照工作原理也称为加速度传感器。按照用途的不同：碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。按照结构的不同：碰撞传感器分为机电式碰撞传感器、电子式碰撞传感器以及机械式碰撞传感器。对于早期的汽车：一般设有多个触发碰撞传感器，安装位置一般在车身的前部和中部。国内外主要供应商1)意法半导体（STM）2)博世（bosch）3)飞思卡尔（freescale）4)敏芯微电子技术有限公司 5)北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司 结束语 当前,MEMS技术正处于高速发展前夕,21世纪会展现一个大发展的局面,它的广泛应用和效益将强有力地显示出来,它对信息、航空、航天、自动控制、医学、生物学、力学、热学、光学、近代物理和工程学等诸领域发展的影响将是深远的,人类的生产和生活方式也会因此而发生重大改变