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      [導讀]MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫,即微電子機械系統。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術(micro/nanotechnology)基礎上的21世紀前沿技術,是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發送信息或指令,還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。

      MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫,即微電子機械系統。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術(micro/nanotechnology)基礎上的21世紀前沿技術,是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發送信息或指令,還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。

      MEMS用微電子技術和微加工技術(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結合的制造工藝,制造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。 微電子機械系統(MEMS)是近年來發展起來的一種新型多學科交叉的技術,該技術將對未來人類生活產生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。MEMS壓力傳感器就是一種基于微電子機械系統(MEMS)技術制造的壓力傳感器。MEMS壓力傳感器利用微機械結構和電子元件相結合的方式來測量壓力值,并將其轉換成電信號輸出。

      MEMS壓力傳感器由微電子機械系統技術制造而成,通常由微機械結構和電子元件組成。其中微機械結構通常包括薄膜、彈簧、振膜等,而電子元件則包括電容、電阻、電感等。當外部壓力施加到MEMS壓力傳感器的振膜上時,振膜發生微小的變形,這個變形會引起微機械結構中的彈簧或薄膜的變形。這個變形會導致微機械結構中的電容、電阻等電子元件發生微小的變化。這些變化可以被電路測量和放大,轉換成電信號輸出。通過測量輸出電信號的大小,就可以確定外部壓力的大小。

      MEMS壓力傳感器具有小型化、高精度、高靈敏度、低功耗等特點,廣泛應用于工業、醫療、汽車、航空航天等領域。例如,MEMS壓力傳感器可以用于測量液體或氣體的壓力,以及測量血壓、呼吸等生理信號。由于其高性能和低成本的優勢,MEMS壓力傳感器已成為壓力傳感器領域的重要技術之一。

      MEMS傳感器的種類根據其工作作用、工作原理、工作環境的不同種類繁多,今天主要介紹的是其中的一種:MEMS壓力傳感器。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械電子傳感器。

      (1)MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應力杯硅薄膜內壁,采用MEMS技術直接將四個高精密半導體應變片刻制在其表面應力最大處,組成惠斯頓測量電橋,作為力電變換測量電路,將壓力這個物理量直接變換成電量,其測量精度能達0.01%~0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖3所示,上下二層是玻璃體,中間是硅片,硅片中部做成一應力杯,其應力硅薄膜上部有一真空腔,使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。應力硅薄膜與真空腔接觸這一面經光刻生成阻應變片電橋電路。當外面的壓力經引壓腔進入傳感器應力杯中,應力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起,發生彈性變形,四個電阻應變片因此而發生電阻變化,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。

      (2)電容式壓力傳感器利用MEMS技術在硅片上制造出橫格柵狀,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。

      MEMS傳感器的加工工藝需要用到MEMS技術,基于已經相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。它與傳統的IC工藝有許多相似之處,如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光工藝等,但是有些復雜的微結構難以用IC工藝實現,必須采用微加工技術制造。微加工技術包括硅的體微加工技術、表面微加工技術和特殊微加工技術。體加工技術是指沿著硅襯底的厚度方向對硅襯底進行刻蝕的工藝,包括濕法刻蝕和干法刻蝕,是實現三維結構的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝,通過在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜,然后去除犧牲層釋放結構層實現可動結構。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷基板具有更牢,更低阻的金屬膜層,陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40 ~135 ℃,而且具有測量的高精度、高穩定性。

      MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子:如TPMS、發動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統空氣壓力傳感器、汽車發動機進氣歧管壓力傳感器(TMAP)、柴油機共軌壓力傳感器;消費電子:如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤,洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器,空調壓力傳感器,洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器;工業電子:如數字壓力表、數字流量表、工業配料稱重等。隨著物聯網時代的逐步到來,傳感器現正被廣泛應用于包括各類智能終端、智能汽車、生物醫療等在內的眾多新興領域,需求量與日俱增。


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