MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用

MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。

MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路（IC）設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝，進(jìn)行高精度、低成本的大批量生產(chǎn)，從而為消費(fèi)電子和工業(yè)過(guò)程控制產(chǎn)品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開(kāi)方便之門(mén)，使壓力控制變得簡(jiǎn)單易用和智能化。傳統(tǒng)的機(jī)械量壓力傳感器是基于金屬?gòu)椥泽w受力變形，由機(jī)械量彈性變形到電量轉(zhuǎn)換輸出，因此它不可能如MEMS壓力傳感器那樣做得像IC那么微小，成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MEMS壓力傳感器。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過(guò)1cm，使性價(jià)比相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高。

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(cè)量電路的，具有較高的測(cè)量精度、較低的功耗，極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無(wú)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的應(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(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)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IC的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。

圖1 惠斯頓電橋電原理

圖2 應(yīng)變片電橋的光刻版本

圖3 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

圖4 硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物

電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫隔柵狀，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器，上橫隔柵受壓力作用向下位移，改變了上下二根橫隔柵的間距，也就改變了板間電容量的大小，即△壓力=△電容量（圖5）。電容式壓力傳感器實(shí)物如圖6。

圖5 電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

圖6 電容式壓力傳感器實(shí)物

MEMS壓力傳感器的應(yīng)用

MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子：如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器；消費(fèi)電子：如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調(diào)壓力傳感器，洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽(yáng)能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業(yè)電子：如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。

典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應(yīng)變片組成的惠斯頓電橋，右是管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來(lái)生產(chǎn)各種壓力傳感器產(chǎn)品，如圖8所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個(gè)封裝內(nèi)（MCM），使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很容易使用這個(gè)高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品。

圖7 典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理

MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售鏈

MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售鏈如圖9所示。目前IC的4寸圓晶片生產(chǎn)線的大多數(shù)工藝可為MEMS生產(chǎn)所用；但需增加雙面光刻機(jī)、濕法腐蝕臺(tái)和鍵合機(jī)三項(xiàng)MEMS特有工藝設(shè)備。壓力傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)廠商需要增加價(jià)格不菲的標(biāo)準(zhǔn)壓力檢測(cè)設(shè)備；

圖9 MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售鏈

對(duì)于MEMS壓力傳感器生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)開(kāi)拓汽車電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域的銷售經(jīng)驗(yàn)和渠道是十分重要和急需的。特別是汽車電子對(duì)MEMS壓力傳感器的需要量近幾年激增，如捷伸電子的年需求量約為200-300萬(wàn)個(gè)。

MEMS芯片在設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)方面與IC的異同

與傳統(tǒng)IC行業(yè)注重二維靜止的電路設(shè)計(jì)不同，MEMS以理論力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合電路知識(shí)設(shè)計(jì)三維動(dòng)態(tài)產(chǎn)品，對(duì)于在微米尺度進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)更多地依靠經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具（Ansys）也與傳統(tǒng)IC（如EDA）不同，MEMS加工除使用大量傳統(tǒng)IC工藝，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕，雙面光刻等。MEMS較傳統(tǒng)IC工藝簡(jiǎn)單，光刻步驟少，MEMS生產(chǎn)有一些非標(biāo)準(zhǔn)的特殊工藝，工藝參數(shù)需按產(chǎn)品要求進(jìn)行調(diào)整，由于需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)三方面的密切配合，IDM的模式要優(yōu)于Fabless+ Foundry（無(wú)芯片生產(chǎn)線公司+代工廠）的模式。MEMS對(duì)封裝技術(shù)的要求很高。傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商的 4英寸生產(chǎn)線正面臨淘汰，即使用來(lái)生產(chǎn)LDO也只有非常低的利潤(rùn)，如轉(zhuǎn)而生產(chǎn)MEMS則可獲較高的利潤(rùn)；4英寸線上的每一個(gè)圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die 5～6千個(gè)，每個(gè)出售后可獲成本7～10倍的毛利（圖10）；轉(zhuǎn)產(chǎn)MEMS改動(dòng)工藝不大、新增輔助設(shè)備有限，投資少、效益高；MEMS芯片與IC芯片整合封裝是IC技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，也是傳統(tǒng)IC廠商的新機(jī)遇。圖11是MEMS在4英寸圓晶片生產(chǎn)線上。

4英寸生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計(jì)

4英寸圓晶片生產(chǎn)線生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計(jì)如表所示，新增固定成本是指為該項(xiàng)目投入的人員成本和新設(shè)備的折舊（人員：專家1名+MEMS設(shè)計(jì)師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名，年成本147萬(wàn)元，新增設(shè)備投入650萬(wàn)元，按90%四年折舊計(jì)算）；現(xiàn)有4英寸線成本是指在5次光刻條件下使用4英寸線的成本（包括人工、化劑、水電、備件等的均攤成本）；硅片材料成本是指雙拋4寸硅片的價(jià)格。