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MEMS压力传感器简述

摘要：MEMS压力传感器是发展最早，且市场占有率极大的微型传感器。顾名思义，MEMS传感器是结合

MEMS相关工艺技术与传统IC技术研制出的一类压力传感器。因而MEMS压力传感器不仅可以用类似集成电

路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；而且还具有MEMS的特有

材料特性与微型化等优势。目前，MEMS压力传感器综合了相对成熟的微电子工艺，如CVD技术，掺杂技

术和新型的阳极键合技术等，以及绝缘体上硅（SOI）、碳化硅（SiC）、氧化铝陶瓷等新材料及相关技术。

MEMS压力传感器的新技术的研发与进展使其向工业、医疗、汽车和更广阔的应用范围扩展，同时也为整

个MEMS领域做出重要的贡献。

关键词：MEMS；压力传感器；压阻式；高温传感器

压力传感器的发展自20世纪40年代便已开始，其发展过程大致分为四个阶段。发明阶段

（1945-1960年），以1947年双极性晶体管的发明为标志。史密斯（C.S.Smith）于1945发

现了硅与锗的压阻效应并依据此原理制成的压力传感器。此阶段最小尺寸大约为1cm。技术发

展阶段（1960-1970年），硅扩散技术发展、制成凹形硅弹性膜片，称为硅杯。体积小、重量

轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点为商业化发展提供了可能。商业化集成

加工阶段（1970-1980年），硅各向异性腐蚀技术：自动控制硅膜厚度。可在多个表面同时进

行腐蚀，数千个硅压力膜可同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。微机

械加工阶段（1980年-至今），纳米技术——使得微机械加工工艺成为可能。计算机控制——

线度微米级结构型压力传感器。蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。

个人认为，MEMS压力传的发展将进入下一个全球互联阶段，目前全球有数以亿计的传感器，

就像互联网将数以亿计的人类联系在一起一般，传感器也将有一个物联网生态系统将它们联系

在一起，并且还会建立全球MEMS传感器统一标准，一次来维护和管理这个传感器系统。压

力传感器是目前传感器家族中最庞大的一支，因而这一阶段对其的意义不言而喻。

1基本原理

MEMS压力传感器主要分为电容型、压阻型，压电式，金属应变式，光纤式等。其中应

用最为广泛，技术最为成熟的是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

上生成的微机电传感器。

1.1压阻式压力传感器基本原理

图1.1惠斯登电桥电路图图1.2硅压阻式压力传感器结构简图

压阻式压力传感器的基本原理如图1.1所示，惠斯登全桥电路。

RRRR

1423

B,E间电势差UBE=0，电路无电压输出；

RRRR

1423

B,E间电势差U不为零。根据此电路特性，将R,R,R,R制成为高精密半导体电阻应变片，

BE1234

利用其半导体的压阻效应，将压力造成的机械形变转化为电阻本身的阻值变化，进而改变电路

中的电势差UBE，以此来测量出压力大小。图1.2为硅压阻式压力传感器结构示意图。中间紫

色部分是硅杯，具有圆形的应力杯硅薄膜内壁，通常将惠斯登电桥刻蚀正在其表面应力最大处

刻成惠斯登测量电桥；上下玻璃体，上部为真空腔，形成绝压压力传感器。压力施加于下部，

令硅杯发生形变，从而采集压力信息。

1.2MEMS压阻式压力传感器的主要性能参数

灵敏度和线性度是其中两个重要的性能指标，其影响因素主要有：

1)膜片的厚度和尺寸，压力传感器的灵敏度最大值由膜片厚度和面积决定。弹性膜片越薄、

平面尺寸越大，输出的灵敏度越大。当膜片为平膜时，薄膜形状为正方形时传感器的灵敏

度最大。

2)电阻形状，增加垂直压敏电阻的条数，可提高灵敏度，线性度降低；另外面积越大时，灵

敏度越高，而线性度越低。