压力传感器比较完整的介绍

压力传感器

MEMS压力传感器可以用类似集成电路（IC）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压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS 压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

MEMS压力传感器原理

目前的MEMS压力传感器有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械电子传感器。

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，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。

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（图5）。电容式压力传感器实物如图6。

MEMS压力传感器的应用

MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：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。

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，如捷伸电子的年需求量约为200-300万个。

压力传感器2014年将成头号MEMS器件

据IHS iSuppli公司的MEMS与传感器研究报告，由于价格相对较高，以及在汽车、医疗与工业等领域的应用范围不断扩大，压力传感器到2014年将成为销售额最高的微机电系统(MEMS)器件。

因为汽车产业在衰退之后强劲复苏，去年压力传感器销售额比2009年增长26%，达到12.2亿美元，在所有MEMS器件中排名第二。今年增长将比较温和，预计增长6%，销售额将达到13亿美元，但预计2012年增长率将达到两位数。

凭借稳步扩张，压力传感器三年后将成为销售额最高的MEMS器件，力压无处不在的加速计与越来越受欢迎的陀螺仪。由于补偿水平、裸片校准与封装类型的不同，MEMS压力传感器的平均价格目前相差很大，面向高价值工业与医疗应用的从几美元到几十美元不等，而面向飞机液压系统或飞行数据测量等最专业应用的则高达几百美元，包括在恶劣的介质、温度和压力条件下的工业应用组合。

到2015年，MEMS压力传感器销售额将达到19.7亿美元，2010-2015年的复合年度增长率为10%。MEMS压力传感器在多种应用领域得到大量使用

MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变形。可以利用应变仪(压阻型感测)来测量这种形变，也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以测量。这两种方法都很流行，轮胎压力监测系统使用比较结实的压阻方法。

汽车产业仍然是MEMS压力传感器的最大应用领域，占其销售额的72%，其次是医疗电子占12%，工业领域占10%，消费电子与军用航空占据其余的6%市场。

在汽车领域，引擎管理是其主要应用，包括汽油发动机中的歧管空气压力传感器和柴油车中的共轨压力传感器，尤其是在欧洲。为了改善燃烧情况，有些组织也在研究可以在汽缸内工作的压力传感器，以更好地测量参与化学反应的各种物质的准确比例，并把数据反馈给引擎管理系统。

由于工作环境恶劣，汽车传感器的价格比消费类传感器高得多。另外，汽车传感器需要较长的鉴定时间，而且这些传感器必须能可靠工作长达15年的时间。有些传感器，比如刹车或轮胎

压力传感器，对于汽车安全至关重要。

MEMS压力传感器在汽车中的一个新应用是传动系统压力感测，通常用于自动装置之中，但也用于新型双离合器传动系统。德国厂商博世最近进入该市场，推出了一款MEMS解决方案，使用油来保护硅薄膜，使其可以最高耐受70巴的压力。博世几年前也曾为MEMS压力传感器带来巨大变化，当时使用的是多孔硅，带来了高度可靠的MEMS器件，这些器件已用于目前的侧面气囊等应用之中。

在医疗市场，压力传感器主要充当外科手术使用的一次性低成本导管。但它们也用于昂贵的设备之中，在连续气道正压通气(CPAC)机中感测压力与差流。这些器件潜力巨大，可能在2015年以后成为可植入传感器。可植入传感器不需要电池就能工作，可以用于心脏测量和监测青光眼。

在工业领域，MEMS压力传感器的主要应用包括采暖通风及空调(HV AC)、水平面测量、各种工业过程与控制应用。例如，除了精确的高度气压测量，飞机使用传感器监测引擎、襟翼等其它部件。

MEMS压力传感器在消费与移动设备中不是特别热

到目前为止，MEMS压力传感器在消费电子与移动领域的应用不是特别普遍，销售额还不到2000万美元。但其应用多种多样，包括气象站、运动手表、自行车电脑、潜水设备和步数计。还可以用于白色家电，如节能型洗衣机使用的水位传感器。

在移动领域，迄今没有什么大规模的应用。将来高端智能手机可能采用压力传感器充当高度计，支持室内位置服务，但目前尚不具备这方面的基础设施。在平板电脑领域，迄今压力传感器只用于使其能够显示本地天气情况。

与加速计和陀螺仪在消费电子与移动领域得到广泛使用相比，未来几年压力传感器在该领域的应用仍将非常有限。