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微机电系统及纳米技术大作业--微压力传感器 - 图文 微机电系统及纳米技术大作业 题目：微型压力传感器 微型压力传感器摘要：MEMS压力传感器是微系统世界里第一个出现的MEMS器件，该项技术已相当成熟 ，在当今的现代化产业中，压力传感器扮演了很重要的角色由于MEMS压力传感器具有高性能、低本钱和小尺寸等优点，被广泛地应用于汽车电子、工业限制、消费电子、航天航空和医疗领域等MEMS压力传感器在每- 1 - 个领域中都在找寻新应用，例如：汽车领域的汽缸压力感测、医疗领域的循环正气压仪〔CPAPM〕、消费电子领域的智能〔三星Galaxy S3的室内导航〕和平板电脑虽然全部这些新兴应用处于起步阶段，但是前途不行限量关键字：MEMS，压力传感器 1. 开展历程1824年，正是由于瑞典化学家发觉了硅，才为今日的电子工业革命奠定了材料根底在1947年，Bell试验室利用半导体禇研制的第一个晶体管又为半导体产业奠定了基石现如今，短短60年时间，微电子技术已成为了我们生活中不行或缺一局部这其中，MEMS即微机电系统经过四十多年的开展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。

它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，MEMS技术也正在不动声色地变更着我们生活方式喷墨打印机的喷墨头，智能的旋转感应，数码相机的防抖系统等等全部引入了MEMS技术现代压力传感器以半导体传感器的独创为标记， 而半导体传感器的开展可以分为四个阶段：〔1〕独创阶段〔1945 - 1960年〕：这个阶段主要是以 1947年双极性晶体管的独创为标记此后，半导体材料的这一特性得到较广泛应用史密斯〔C.S. Smith〕于1945年发觉了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生改变依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上， 即将力信号转化为电信号进展测量此阶段最小尺寸大约为 1cm 〔2〕技术开展阶段〔1960 - 1970年〕：随着硅扩散技术的开展，技术人员在硅的晶面选择适宜的晶向干脆把应变电阻扩散在晶面上，然后在反面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、本钱低、便于集成化的优点，实现了金属- 硅共晶体，为商业化开展供应了可能〔3〕商业化集成加工阶段〔1970 - 11010年〕：在硅杯扩散理论的根底上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，开展成为可以自动限制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有V形槽- 2 - 法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机限制自动中止法。

由于可以在多个外表同时进展腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，本钱进一步降低〔4〕微机械加工阶段〔11010年-此时此刻〕：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能通过微机械加工工艺可以由计算机限制加工出构造型的压力传感器，其线度可以限制在微米级范围内利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段2. 压力传感器类型与原理压力传感器已经普遍运用在汽车、压力容器、气体输送管道和真空设备中以汽车为例，汽车中进气歧管肯定压力传感器能够依据发动机的负荷状态测出进气歧管内肯定压力〔真空度〕的改变，并转换成电压信号，与转速信号一起输送到电控单位，作为确定喷油器根本喷油量的依据测量压力的方法有许多种，根本原理就是把压力转化为敏感材料的长度和厚度等尺寸改变来测量敏感元件可以是压阻计、谐振应变片或一个改变的电容压力传感器中的弹性元件通常都采纳金属或者半导体膜硅材料由于其蠕变小、耐疲惫、回滞小、小尺寸、高弹性模量和低密度的特点使压力传感器取得突破进展遵照读出原理不同，微压力传感器可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式和光纤式等不同形式〔1〕.压阻式压力传感器作为应用最广的一类微型压力传感器，硅压阻式压力传感器出现于20世纪60年头，它也是第一类能进展批量生产的MEMS传感器。

目前，硅压阻式压力传感器在全世界的年产量已上亿，应用于汽车进汽油管的压力测量，以限制注油量并淘汰了传统的汽化器用作一次性的生理压力传感器，以幸免穿插感染，还可用于汽车轮胎气压测量、水深测量等 压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应用扩散法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片外表上这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进展温度补偿等此类压力传感器的优点是制造工艺简洁、线性度高、可干脆输出电压信号存在的主要问题是对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的准确测量 - 3 - 图1所示为体加工得到的压阻式微型压力传感器的主体构造压敏电阻沉积在弹性膜片外表上，一般位于膜片的固定边缘旁边电阻与膜片之间有一层SiO2作为隔离层弹性膜片的典型厚度为数十微米，是从硅片反面刻蚀出来的性工作范围内，压敏电阻感受膜片边缘的应变，输出一个与被测压力成正比的电信号弹性膜片的厚度会紧要影响受压变形后的挠度，因此当到达适当厚(深)度时的刻蚀停顿技术尤为关键由于是从硅片反面进展硅膜刻蚀的，所以有可能与标准IC工艺相结合，将传感局部和处理电路做成一体11013年丰田公司领先开发出带有片上电路的微型压力传感器。

压阻式传感器的工作原理可总结如下：①压敏电阻与压力敏感膜片集成为一体；②压力作用下，敏感膜片发生变形；③压敏电阻值的改变对应膜片变形，从而间接反映出被测压力值；④通过电桥电路对压敏电阻的改变值进展测量 图1 压阻式微型压力传感器的主体构造〔2〕.谐振式压力传感器谐振式微型压力传感器分两种类型第一种干脆利用振动膜构造，谐振频率依靠于膜片的上下面压差另一种是在膜片上制作振动构造，上下外表的压差导致膜片翘曲，振动构造的谐振频率随膜片的应力而改变 谐振式压力传感器可以获得很高精度，输出频率干脆是数字信号，具有强的抗干扰实力谐振式压力传感器的缺点是制造工艺相对困难，振动元件假设集成在压力敏感膜上，二者的机械耦合会引起一些问题 图2所示为一种商业化的谐振式压力传感器由两平行梁构成的H形谐振器 - 4 - 集成在压力敏感膜片上，其中一根梁通鼓励电流，在磁场中受洛伦兹力影响而发生振动另一根梁也处于磁场中，可以利用感应电压对振动进展检测，从而确定膜片的应力状态，进一步得到被测压力值该谐振器工作在局部真空状态，削减了空气阻尼影响，获得高的Q值 图2 采纳谐振梁的微型压力传感器 〔3〕.电容式压力传感器电容式微型压力传感器通常是将活动电极固连在膜片外表上，膜片受压变形导致极板间距改变，形成电容改变值。

这类传感器曾被用于紧急输血时的血压计，或用作眼内压力监测器，以检测青光眼等眼球内压反常提升的疾病等 图3所示为通过体加工工艺得到的电容式微型压力传感器由各向异性刻蚀单晶硅制作出敏感膜片，通过膜片四周的固定局部与两玻璃片键合在一起为减小应力，硅材料与键合玻璃片的热膨胀系数要近似匹配弹性膜片固连的活动电极和玻璃片上的固定极板构成电容器，同时膜片四周的固定局部与玻璃片之间还形成不受压力变形影响的参考电容测量电路制作在同一硅片上，从而形成机电单片集成的微型传感器该传感器芯片的平面尺寸约为8mm×6mm 5 - 共4页: 上一页1234下一页 图3 电容式微压力传感器一般电容式压力微型传感器受温度影响很小，能耗低，相对灵敏度高于压阻式传感器，通常能获得30%～50%的电容改变，而压阻器件的电阻改变最多只有2%～5%通过电容极板的静电力可以对外压力进展平衡，所以电容式构造还能实现力平衡式的反应测量 因为电容改变与极板间距成正比，因此非线形是变间距电容式传感器的固有特征之一另外，输出电容改变信号往往很小，须要相对困难的特地接口电路接口电路要和传感器集成在同一芯片上，或尽量安装靠近传感器芯片的位置，以幸免杂散电容的影响。

〔4〕.压电式压力传感器压电式压力传感器是基于压电效应的压力传感器它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成〔见图4〕压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成必须关系的电信号这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温柔体积小压电材料最适合于研制这种压力传感器目前比拟有效的方法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ〔+20°～+30°〕割型的石英晶体可耐350℃的高温而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的志向压电材料 6 - 图4 压电式压力传感器 〔5〕.光纤式压力传感器光纤压力传感器作为一种新型的传感器，与传统的压力传感器相比体积小、重量轻，具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易爆的环境中等优点，另外还可以构成光纤分布式压力传感器，对桥梁、大坝等进展安康状况的实时监测光纤压力传感器分为功能型光纤压力传感器和非功能型光纤压力传感器。

功能型光纤压力传感器：在外界的压力作用下对光纤自身的某些光学特性〔强度，相位等〕进展调制，调制区在光纤之内，光纤同时具有“感知”和“传输”两种功能，因此又称为内调制光纤压力传感器或者传感型光纤压力传感器非功能型光纤压力传感器:借助其他光学敏感元件来完成传感功能，调制区在光纤之外，光纤在系统中只起传输作用，因此称为调制光纤压力传感器，或者传光型光纤压力传感器 图5 光纤式压力传感器 光纤压力传感器特点：1. 尺寸小；2. 封装坚实;3. 精度高;4. 热转换低;5. 电磁/射频免疫，本质平安 7 - 光纤压力传感器应用于：1. 高温环境；2. 高电压环境；3. 危急环境；4. 航空与防卫；5. 工业工程限制和监控；6. 在有限空间，危急和强电磁/射频/核磁共振环境下的静态或动态压力测量3. 压力传感器制造工艺一般MEMS器件的工艺流程如下： 每种传感器又因设计等原等不同选择不同的制造的工艺此时此刻以一种高温电容式压力传感器威力介绍其MEMS工艺如图6，高温压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成其中下电极位于厚支撑的衬底上电极上蒸镀一层绝缘层。

硅膜片那么是利用各向异性腐蚀技术，在一片硅片上从正反面腐蚀形成的上下电极的间隙由硅片的腐蚀深度确定硅膜片和衬底利用键合技术键合在一起，形成具有必须稳定性的硅膜片电容压力传感器 8 - 图6 高温压力传感器制造工艺 4. 微压力传感器接口电路应用微压力传感器对压力的感应特性，将压力转换为模拟的电压输出，此输出信号不能干脆由单片机处理因此，须要经A/D 转换为数字量单片机通过对此数字量的处理，获得实际的压力值，并通过液晶屏显示整个电路的设计分4 大局部：电桥电路、放大电路、A/D 转换电路、LCD 显示电路 压力信号 压力传感器 放大电路 微处理器 压力信号 - 9 -A/D转换 图7 微压力传感器接口电路框图。