MEMS压力传感器原理与应用.
mems压阻式传感器工作原理
mems压阻式传感器工作原理
Mems压阻式传感器是一种基于微机电系统(Microelectromechanical Systems, MEMS)技术制造的压力传感器，通过测量薄膜电阻的变化来检测压力的变化。
工作原理如下：
1. 薄膜制备：在压阻式传感器的芯片上制备一层薄膜，通常使用硅材料制成。
2. 压力感应：当外部施加压力到传感器上时，薄膜会发生变形，变形程度与压力的大小成正比。
3. 电阻变化：薄膜上有一系列的电阻，这些电阻会随着薄膜的变形而发生改变。
通常，薄膜上的电阻布局为一系列细长电阻条，形成一个电桥电路。
4. 电桥电路：电桥电路是由两个电阻共享电流的分压电路。
薄膜上的电阻条为电桥电路提供输入电阻。
当薄膜发生变形时，电桥的电阻比例会发生变化，从而改变了电桥的电压输出。
5. 信号处理：电桥的电压输出信号经过相关的放大和滤波电路进行处理，并转换成数字信号。
6. 压力测量：通过测量电桥输出信号的变化，可以判断外部压力的大小和变化。
Mems压阻式传感器因其小型化、高精度和低功耗等特点，在压力、重力、加速度等方面的测量中得到广泛应用。
基于MEMS技术的压力传感器设计与制造
基于MEMS技术的压力传感器设计与制造压力传感器是一种能够将压力信号转换为电信号的传感器装置。
随着科技的不断发展，MEMS（微机电系统）技术在压力传感器设计与制造领域得到了广泛应用。
本文将就基于MEMS技术的压力传感器的设计与制造进行详细介绍。
一、MEMS技术概述MEMS技术是一种将微尺度的机械和电子元件与传感器、执行器、控制电路等集成在一起的技术。
其制造工艺采用了集成电路工艺，并利用纳米级尺寸的材料和结构实现对微尺度力学和物理现象的控制与感知。
二、MEMS压力传感器的工作原理基于MEMS技术的压力传感器的工作原理是利用微米级别的材料和结构感知外界的压力变化，并将其转换为电信号。
其主要组成部件包括感压结构、微电子信号处理电路和封装结构。
感压结构通常采用微弯杆、微膜或微腔等形式，当外界施加压力时，感压结构会产生微小的形变，从而改变传感器的电阻、电容、振动频率等特性，实现对压力变化的测量。
三、基于MEMS技术的压力传感器的设计与制造过程1. 设计阶段：在设计阶段，需要根据压力传感器的要求确定设计参数，如量程范围、灵敏度、温度稳定性等。
然后，利用MEMS设计软件绘制感压结构的布局，并进行仿真分析，以验证设计的可行性。
2. 制造工艺：制造工艺是将设计图转化为实际器件的过程。
主要步骤包括材料选择、光刻、薄膜沉积、刻蚀、等离子蚀刻和封装等。
其中，光刻和薄膜沉积是关键的工艺步骤，通过光刻技术制备传感器的感压结构，通过薄膜沉积技术在传感器表面形成薄膜层，从而实现对压力的感知。
3. 测试与校准：制造完成后，需要对压力传感器进行测试和校准。
测试包括静态特性测试（如灵敏度、线性度等）和动态特性测试（如响应时间、频率响应等）。
校准是为了确保传感器的准确性和可靠性，可以通过与标准参考传感器比较，或利用专用测试设备进行校准。
4. 封装与应用：完成测试和校准后，将压力传感器封装，并根据具体应用需求进行集成与连接。
在封装过程中，需要考虑传感器的保护和防护措施，以提高其环境适应性和机械强度。
mems压力传感器分类
mems压力传感器分类一、基于工作原理的分类1. 电阻式mems压力传感器：这种传感器利用电阻的变化来测量压力的变化。
当压力作用于传感器时，电阻发生变化，通过测量电阻值的变化来确定压力的大小。
2. 电容式mems压力传感器：这种传感器利用电容的变化来测量压力的变化。
当压力作用于传感器时，电容发生变化，通过测量电容值的变化来确定压力的大小。
3. 压阻式mems压力传感器：这种传感器利用压阻的变化来测量压力的变化。
当压力作用于传感器时，压阻发生变化，通过测量压阻值的变化来确定压力的大小。
4. 表面声波式mems压力传感器：这种传感器利用表面声波的变化来测量压力的变化。
当压力作用于传感器时，表面声波的传播速度发生变化，通过测量声波传播时间的变化来确定压力的大小。
二、基于结构的分类1. 膜片式mems压力传感器：这种传感器的结构中包含一个薄膜片，当压力作用于膜片时，膜片发生变形，通过测量膜片变形的程度来确定压力的大小。
2. 压阻式mems压力传感器：这种传感器的结构中包含一个压阻器件，当压力作用于压阻器件时，压阻器件发生变化，通过测量压阻器件变化的程度来确定压力的大小。
3. 压电式mems压力传感器：这种传感器的结构中包含一个压电材料，当压力作用于压电材料时，压电材料发生电荷分布变化，通过测量电荷分布变化的程度来确定压力的大小。
三、基于应用领域的分类1. 工业mems压力传感器：这种传感器广泛应用于工业领域，用于测量工业过程中的压力变化，如管道压力、储罐压力等。
2. 汽车mems压力传感器：这种传感器广泛应用于汽车领域，用于测量汽车发动机中的气缸压力、轮胎气压等。
3. 医疗mems压力传感器：这种传感器广泛应用于医疗领域，用于测量血压、呼吸压力等生理参数。
4. 环境mems压力传感器：这种传感器广泛应用于环境监测领域，用于测量大气压力、海洋深度等环境参数。
以上是对mems压力传感器的分类介绍，通过对不同分类的传感器的介绍，我们可以更好地了解mems压力传感器的工作原理和应用领域，为相关领域的应用和研究提供参考和指导。
mems压力传感器 应用场景
题目：MEMS压力传感器的应用场景一、MEMS压力传感器的原理和特点MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）压力传感器是一种微型压力传感器，由微机械制造技术和集成电路技术相结合而成。
它的原理是利用微型机械结构感应外部压力变化，通过微小的电阻、电容变化来转换成电信号输出。
MEMS压力传感器具有体积小、重量轻、功耗低、频率响应快、精度高、价格低等特点。
二、MEMS压力传感器在汽车领域的应用1. 轮胎压力检测系统现代汽车配备了TPMS（Tire Pressure Monitoring System）系统，通过安装在车轮上的MEMS压力传感器，实时监测轮胎的气压，一旦轮胎气压异常，系统会发出警报提醒驾驶员。
这不仅提高了行车安全，还减少了燃油消耗和轮胎磨损。
2. 发动机控制系统发动机的进气歧管、油路系统、涡轮增压器等部件的压力都需要精确控制，MEMS压力传感器可以实时监测这些压力数据，为发动机控制系统提供精准的参数，提高了发动机的燃烧效率和动力输出。
三、MEMS压力传感器在医疗设备中的应用1. 人体生理参数监测MEMS压力传感器可以应用于血压仪、呼吸机、体重秤等医疗设备中，通过实时监测人体的生理参数，帮助医生对患者进行及时的诊断和治疗。
2. 医用气体输送控制医院的氧气、氮气输送系统中需要对气体压力进行严格控制，MEMS压力传感器可以实现对医用气体压力的实时监测和控制，提高了输气系统的安全性和稳定性。
四、MEMS压力传感器在工业自动化领域的应用1. 液体、气体压力监测在工业生产中，液体、气体的压力监测是非常重要的，可以通过安装在管道、容器中的MEMS压力传感器实时监测液体、气体的压力情况，实现对生产过程的自动化控制。
2. 液位检测MEMS压力传感器还可以应用于液位检测，通过测量液体的压力来判断液位的高低，广泛应用于石油化工、水处理、食品加工等工业领域。
五、MEMS压力传感器在航天航空领域的应用1. 飞机气压控制在飞机上，需要对飞机的气压进行实时监测和控制，以保障飞机飞行安全。
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微电子机械系统）压力传感器是一种利用微加工技术制造的微小化压力传感器。
它的结构与工作原理主要有晶体硅薄膜结构、电容式结构和热敏电阻式结构。
一、晶体硅薄膜结构是MEMS压力传感器最常见的结构形式之一、其基本结构包括压阻结构、桥电路和信号处理电路。
压阻结构由压敏电阻、硅晶片、基座和开孔组成。
通过外加压力使压敏电阻发生应变，进而改变电阻值，检测到的变化通过桥电路产生电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
二、电容式结构是另一种常见的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构包括电容器和悬梁。
电容器由两个金属电极和介电层构成，当外界施加压力时，悬梁固定端会发生微小变形，从而改变电容值，进而检测到的变化通过信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
三、热敏电阻式结构是一种利用热调制技术实现压力测量的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构是热敏电阻和温度传感器。
通过加热热敏电阻，使其温度升高，从而产生温度随压力变化的换算电阻变化。
测量到的电阻变化通过温度传感器转换为电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
在工业自动化领域，MEMS压力传感器可以应用于液压系统、气动系统、流量控制、压缩机等设备中，用于监测和控制压力。
在汽车电子领域，MEMS压力传感器可以应用于汽车发动机管理系统、车身悬挂系统、刹车系统等，用于精确测量和控制各个系统的压力。
在医疗器械领域，MEMS压力传感器可以应用于血压监测、呼吸机、心脏起搏器等设备中，用于精确测量患者的生理压力。
在消费电子领域，MEMS压力传感器可以应用于智能手机、平板电脑、手表等设备中，用于实现触摸屏、步数计、海拔计等功能。
总之，MEMS压力传感器以其微小化、高精度、低成本的特点，广泛应用于各个行业和领域，提供了可靠的压力测量和控制解决方案。
压力传感器的原理和应用
压力传感器的原理和应用1. 压力传感器的原理压力传感器是一种能将压力变化转化为可测量电信号的装置。
它基于压电效应或微机械系统技术（MEMS）等原理工作。
以下是压力传感器的几种常见的工作原理：1.1 压电效应压电传感器基于压电效应，当受到压力时，由压电材料（如石英、硼酸锂等）制成的传感器会发生形变产生电荷，从而产生电信号。
这种原理适用于高频、高压和高温的测量。
1.2 电阻式电阻式传感器基于电阻的变化来测量压力。
当压力施加到传感器上时，导致电阻发生变化，进而改变电流或电压的大小。
这种原理通常用于低压测量。
1.3 容量式容量式传感器利用电容的变化来测量压力。
当被测压力变化时，传感器内的电容发生变化，通过测量电容的变化来确定压力的大小。
这种原理可用于低至超低压力范围。
2. 压力传感器的应用压力传感器在各个领域中有着广泛的应用，以下列举几个主要的应用领域：2.1 工业自动化在工业自动化领域，压力传感器用于测量和监控各种液体和气体的压力。
它们常用于流体控制、液位测量、液压系统、气动系统等方面。
例如，压力传感器可用于监测管道中的液体和气体压力，以确保系统运行正常。
2.2 汽车工业汽车工业是压力传感器的重要应用领域之一。
在汽车中，压力传感器用于监测和控制发动机的燃油压力、轮胎气压、制动系统压力等。
通过实时监测压力变化，有效地提高了汽车的性能和安全性。
2.3 医疗设备在医疗设备中，压力传感器被广泛用于呼吸机、血压计、麻醉机等设备中。
它们用于监测和控制患者的血压、血氧饱和度、呼吸频率等指标，以帮助医院提供更准确、安全的医疗服务。
2.4 环境监测压力传感器也广泛应用于环境监测领域。
例如，地下水位监测、大气压力监测、建筑物结构的变形监测等都离不开压力传感器的应用。
通过实时监测压力变化，可以有效避免灾害事故的发生。
3. 压力传感器的优势压力传感器具有以下几个优势：•高精度：压力传感器能够提供高精度的压力测量，能够满足精密的工业、医疗等领域的需求。
mems压力传感器原理及应用
mems压力传感器原理及应用一、MEMS压力传感器的基本原理MEMS压力传感器是一种微机电系统（MEMS）技术应用的传感器，它通过测量介质的压力来实现对物理量的检测。
其基本原理是利用微机电系统技术制造出微小结构，通过这些结构对介质产生的压力进行敏感检测，并将检测到的信号转换为可读取的电信号。
二、MEMS压力传感器的结构1. 敏感元件：敏感元件是MEMS压力传感器最核心的部分，它通常由微型弹性薄膜或微型悬臂梁等制成。
当介质施加在敏感元件上时，它会发生形变，从而改变其阻抗、电容、电阻等物理参数。
2. 支撑结构：支撑结构是用于支撑敏感元件和保持其稳定工作状态的部分。
通常采用硅基板或玻璃基板制成。
3. 封装壳体：封装壳体主要用于保护敏感元件和支撑结构不受外界环境影响，并提供良好的密封性和机械强度。
三、MEMS压力传感器的工作原理1. 压电式压力传感器：压电式压力传感器是利用压电效应来测量介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，并产生相应的电荷，从而实现对介质压力的检测。
2. 电阻式压力传感器：电阻式压力传感器是利用敏感元件阻值随着形变程度的变化来检测介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其阻值大小。
3. 电容式压力传感器：电容式压力传感器是利用敏感元件与基板之间的微小空气间隙产生的电容值随着形变程度的变化来检测介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其与基板之间空气间隙大小。
四、MEMS压力传感器的应用1. 工业领域：MEMS压力传感器广泛应用于工业自动化、流量计量、液位控制等领域中。
2. 汽车领域：MEMS压力传感器在汽车领域的应用主要包括轮胎压力检测、制动系统控制、发动机燃油喷射等方面。
3. 医疗领域：MEMS压力传感器在医疗领域的应用主要包括血压计、呼吸机等方面。
4. 生物医学领域：MEMS压力传感器在生物医学领域的应用主要包括心脏起搏器、人工耳蜗等方面。
压电MEMS传感器介绍及原理解析
压电MEMS传感器介绍及原理解析当外界施加压力或作用力到传感器上时，压电材料会发生形变，导致材料内部电荷分布发生改变。
这种电荷分布的变化可以通过连接在传感器上的电极来测量。
根据电荷量的变化，可以推导出传感器受到的压力、力量或其他机械量。
压电MEMS传感器的尺寸通常很小，可以制作成微型芯片。
这种微小尺寸的设计使得传感器可以在各种应用中得到广泛应用，例如汽车安全、医疗器械、工业自动化等。
此外，压电MEMS传感器还具有高灵敏度、高频响应和低功耗的优点。
原理解析：1.压电效应：压电效应是指一些材料在受到机械应力时会产生电荷分布的现象。
这些材料被称为压电材料，常见的包括压电陶瓷和压电聚合物。
当压力施加到压电材料上时，材料内的晶格结构发生变化，导致正负电荷分布不均衡，从而产生电势差。
2.压电材料选择：传感器的灵敏度和性能与选择的压电材料密切相关。
铅锆钛酸钡（PZT）是最常见的压电陶瓷材料，具有良好的压电性能和稳定性。
而压电聚合物材料则具有更高的柔韧性和可塑性，适用于柔性传感器的应用。
3.微结构设计：传感器的微结构常常采用悬臂梁、柱状结构或薄膜结构等形式。
这些微结构用于将外界施加的压力或力量转换为压电材料的变形。
设计合理的微结构能够增加传感器的敏感度和响应速度。
4.电极连接和信号测量：为了测量传感器中电荷分布的变化，需要将电极与压电材料连接起来。
一般情况下，电极通过金属线缆连接到传感器芯片的外部电路中。
在外部电路中，电荷的变化可以转化为电压或电流信号，进而进行放大、滤波和处理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MEMS压力传感器原理与应用
摘要：简述MEMS压力传感器的结构与工作原理，以及应用技术，MEMS压力传感器Die的设计、生产成本分析，从系统应用到销售链。
关键词：MEMS压力传感器
惠斯顿电桥
硅薄膜应力杯
硅压阻式压力传感器硅电容式压力传感器
MEMS（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。
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。
图1 惠斯顿电桥电原理
图2 应变片电桥的光刻版本
图3 硅压阻式压力传感器结构
图4 硅压阻式压力传感器实物
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。
图5 电容式压力传感器结构
图6 电容式压力传感器实物
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。
图7 典型的MEMS压力传感器管芯（die）结构和电原理
图8 各种压力传感器产品
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；
图9 MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链
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。
MEMS芯片在设计、工艺、生产方面与IC的异同
与传统IC行业注重二维静止的电路设计不同，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会更多地依靠经验，设计开发工具（Ansys）也与传统IC（如EDA）不同，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。
图10 4”圆晶片上上千个MEMS压力传感器Di
图11 MEMS在4”圆晶片生产线
附件：
4英寸生产MEMS压力传感器Die成本估计
4英寸圆晶片生产线生产MEMS压力传感器Die成本估计如表所示，新增固定成本是指为该项目投入的人员成本和新设备的折旧（人员：专家1名+MEMS设计师2名+工程师4名+工艺师5名+技工12名，年成本147万元，新增设备投入650万元，按90%四年折旧计算）；现有4英寸线成本是指在5次光刻条件下使用4英寸线的成本（包括人工、化剂、水电、备件等的均摊成本）；硅片材料
成本是指双抛4寸硅片的价格。