MEMS压力传感器

姓名：唐军杰

学号：09511027

班级： _09511__

引言 (1)

一、压力传感器的发展历程 (2)

二、MEMS微压力传感器原理 (3)

1.硅压阻式压力传感器 (3)

2.硅电容式压力传感器 (4)

三、MEMS微压力传感器的种类与应用范围 (5)

四、MEMS微压力传感器的发展前景 (7)

参考文献 (8)

内容提要

在整个传感器家族中，压力传感器是应用最广泛的产品之一，

每年世界性的压力传感器的专利就有上百项。微压力传感器作为微

型传感器中的一种，在近几年得到了快速广泛的应用。本文详细介

绍了MEMS压力传感器的原理与应用。

［关键词］：MEMS压力传感器微型传感器微电子机械系统

引言

MEMS（Micro Electromechanical System，即微电子机械系统）

是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、

通信和电源于一体的微型机电系统。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微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。传统的机械量压力传感器是基

于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此

它不可能如MEMS微压力传感器那样，像集成电路那么微小，而且

成本也远远高于MEMS微压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS微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。

MEMS微压力传感器

一、压力传感器的发展历程

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：

（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。MEMS微压力传感器使压力控制变得简单、易

用和智能化。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。

二、MEMS微压力传感器原理

MEMS微压力传感器按原理分，有电容型、压阻型，压电式，

金属应变式，光纤式等。重点介绍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电传感器。

1·硅压阻式压力传感器

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，极低的成本。

惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不

耗电。其电原理如图1 所示。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的应力杯硅薄

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，其测量精度能达0.01%~0.03%FS。

硅压阻式压力传感器结构如图3 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绝压压力传感器。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，产生电桥输出与压力成正比的电压信

号。图4 是封装如IC 的硅压阻式压力传感器实物照片。

2·硅电容式压力传感器

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，即△压力=△电容量。电容式压力传感器结构如图5。

电容式压力传感器实物如图6。

三、MEMS微压力传感器的种类与应用范围

MEMS微压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS(轮胎压力

监测系统)、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、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。

典型的MEMS 压力传感器管芯（die）结构和电原理如图7 所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥，右是管芯内部

结构图。典型的MEMS 压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感

器产品，如图8 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。

MEMS 压力传感器Die 的设计、生产、销售链

MEMS 压力传感器Die 的设计、生产、销售链如图9 所示。目

前IC 的4英寸圆晶片生产线的大多数工艺可为MEMS 生产所用;但

需增加双面光刻机、湿法腐蚀台和键合机三项MEMS 特有工艺设备。压力传感器产品生产厂商需要增加价格不菲的标准压力检测设备。

对于MEMS 压力传感器生产厂家来说，开拓汽车电子、消费电

子领域的销售经验和渠道是十分重要和急需的。特别是汽车电子对MEMS 压力传感器的需要量近几年激增。

MEMS 以理论力学为基础，结合电路知识设计三维动态产品，

对于在微米尺度进行机械设计更多地依靠经验， MEMS 加工除使用

大量传统IC 工艺，还需要一些特殊工艺，如双面刻蚀，双面光刻等。MEMS较传统IC 工艺简单，光刻步骤少，MEMS 生产有一些非标准

的特殊工艺，工艺参数需按产品要求进行调整，由于需要产品设计、工艺设计和生产三方面的密切配合，IDM 的模式要优于

Fabless+Foundry（无芯片生产线公司+代工厂）的模式。

MEMS 对封装技术的要求很高。传统半导体厂商的4 英寸生产

线正面临淘汰，即使用来生产LDO 也只有非常低的利润，如转而生

产MEMS则可获较高的利润;4 英寸线上的每一个圆晶片可生产合格

的MEMS 压力传感器Die 5～6 千个，每个出售后可获成本7～10 倍

的毛利（图10）;转产MEMS改动工艺不大、新增辅助设备有限，

投资少、效益高;MEMS 芯片与IC 芯片整合封装是IC 技术发展的新

趋势，也是传统IC 厂商的新机遇。图11 是MEMS在4 英寸圆晶片

生产线上。

四、MEMS微压力传感器的发展前景

市场汽车无疑是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30~50 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（Tire Pressure Monitor System，TPMS）中应用的压力传感器，则是未来市场中最看好的部分。目前99%的TPMS 中采用的压力传感器都是基于MEMS 技术的，按照Yole 预计，仅仅用于TPMS 的MEMS 压力传感器在2012 年将达到$ 183M，用于汽车的MEMS 传感器2010 年的销售额达到了$ 662.3M，比2009 年

的$ 501.2M增长了32.1%。亚太地区的MEMS 压力传感器市场年增

长率为6.9%。

2012 年是一个重要的时间点。在2012 年后，发达国家汽车市

场TPMS 和ESC 两种应用都会成为标配。中国的汽车要出口到欧美

发达市场都必须有以上配置，从这些国家进口的汽车也会带以上配置，这无疑将促进MEMS 压力传感器的广泛应用。

许多因素将推动轿车采用更多的MEMS 传感器，2012 年是一个

重要的时间点。大多数的MEMS 压力传感器政策截止时间都是在2012 年，也就是说在2012 年后，发达国家汽车市场TPMS 和ESC 两

种应用都会成为标配，美国在2012 年以前将强制汽车安装电子稳定

系统（ESC），欧盟将在2014 年以前。欧洲还将在2014 年以前强制

汽车安装TPMS，预计这些动态将提升总体销售额。ESC 法将促进陀

螺仪、加速度计和高压传感器的销售；而TPMS 法则将促进MEMS

压力传感器的出货量接近1.379 亿，也就是说无论是进口还是出口

的汽车也会带以上配置，这无疑将促进MEMS 压力传感器的广泛应用。

参考文献

[1] 吕浩杰; 胡国清; 邹卫; 吴灿云; 陈羽锋; 高性能MEMS电容压力传感器的设计及其热分析光学精密工程; 2010-05

[2] 孙素梅; 陈洪耀; 尹国盛光纤传感器的基本原理及在医学上的应用中国医学物理学杂志2008-09

[3]孙凤玲,于海超,王金文,等.硅压阻式压力传感器温度补偿建模与算法研究[ J] .微纳电子技术,2007,44(7):48-50

[4]徐桂华.硅压阻式压力传感器的温度补偿[ J] .数据采集与处

理,1994(3):11-13

[5] 张书玉，张维连，张生才等. 高温压力传感器的研究现状. 传感技术学报, 2006, 19（4）

[6] 郭强; 吕浩杰; 胡国清新型接触式电容压力传感器仪表技术与传感器; 2008-03

[7]覃博彬,赖康生.基于DSP的压力传感器信号采集与温度补偿设计[ J] .中国仪器仪表,2009(4):91-94

[8] 张树生；韩克江；成健基于MEMS技术的硅微机械流体传感器的原理及应用仪表技术与传感器 2007, (3)

[9] SABATE N;SANTANDER J Multi-range silicon micromachined flow sensor [外文期刊] 2004(110)

[10] CHEN W;FU Y;ZHU Y Progress of optical sensor system for health monitoring of bridges at Chongqing University [外文期刊] 2005

DOI:10.1117/12.579927