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。

2009-3-22

参考资料

《XSY系列远传数字压力表》           颜重光                                           1990-01

《两线制压力变送器》                     颜重光                                            1992-11

《新型实用传感器应用指南》           颜重光等主编  电子工业出版社       1998/04

《TPMS的设计方案思考》                颜重光                                            2004/08

《TPMS 汽车安全永恒主题》            颜重光                                            2005/01

《TPMS技术与发展趋势》                 颜重光                                            2005/08

《TPMS专用传感器模块技术剖析》   颜重光                                            2006/08

《传统半导体厂商对MEMS的思考》      颜重光                                           2006-12-28