醫(yī)療應(yīng)用新突破 MEMS壓力傳感器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

日前，一支來自新加坡一家微電子研究所ASTAR的團(tuán)隊(duì)制作出一種小型的傳感器，這種傳感器將一個(gè)穩(wěn)定的膜片與易傳感的硅納米線結(jié)合在一起，從而使得MEMS壓力傳感器可以更穩(wěn)定耐用，適用于醫(yī)療器械。

原則上來講，設(shè)計(jì)一個(gè)小型的壓力傳感器是很簡單的：一個(gè)壓力變形隔膜嵌入一個(gè)壓敏電阻器就可以了，這個(gè)壓敏電阻器必須是由硅納米線等會(huì)由壓力引起抗電阻性變化的材料制成。但事實(shí)上卻會(huì)出現(xiàn)問題，包括電路設(shè)計(jì)和和脆弱的組件，任何地方出現(xiàn)差錯(cuò)都是商用傳感器的致命傷。

由于這個(gè)隔膜必須將很小的壓力變化傳到到壓敏電阻器，同時(shí)要抵抗變形和破損，因此，這個(gè)隔膜材料的選擇就顯得至關(guān)重要。于是羅和他的同事們想到用二氧化硅來展現(xiàn)完美的壓力傳感性能。然而，二氧化硅雖有優(yōu)越的傳感性能，但也不能戰(zhàn)勝易彎曲性這個(gè)弱點(diǎn)。所以，羅將解決方案改為用雙層的二氧化硅，同時(shí)將壓阻式的硅納米線放在兩者中間，頂層再加一層性能穩(wěn)定的氮化硅。

通過蝕刻氮化硅和變化厚度、調(diào)整硅納米線，這個(gè)團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)的組合。最后的傳感器成功地滿足了抵抗變形和機(jī)械損壞的同時(shí)仍然可以提供在壓力感應(yīng)下電輸出的線性變化，符合高精度的醫(yī)療器械應(yīng)用要求。

這個(gè)團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)是制造出一種可植入的微型醫(yī)療設(shè)備，盡管要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還需要依靠廣泛的電路研究和測試。

MEMS壓力傳感器解析

MEMS壓力傳感器原理

目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機(jī)械電子傳感器。

硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗和極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2。

MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測量電橋，作為力電變換測量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測量精度能達(dá)0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖2的電阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)電阻應(yīng)變片因此而發(fā)生電阻變化，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。圖4是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。