一文詳解MEMS壓力傳感器原理及與IC的異同

MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，並應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。

MEMS技術的發展開闢了一個全新的技術領域和產業，採用MEMS技術製作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為一個巨大的產業，就象近20年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革並對人類社會產生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬碟驅動頭等。大多數工業觀察家預測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。

MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路的設計技術和製造工藝，進行高精度、低成本的大批量生產，從而為消費電子和工業過程控制產品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開方便之門，使壓力控制變得簡單、易用和智能化。相對於傳統的機械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過一個釐米，相對於傳統「機械」製造技術，其性價比大幅度提高。

圖1 惠斯頓電橋電原理

圖2 應變片電橋的光刻版本

圖3 矽壓阻式壓力傳感器結構

美國Oak Ridge國家實驗室的Panos Datskos與Nickolay Lavrik使用MEMS傳感器檢測出5.5 fs的物質，創造了一項新的世界紀錄。其使用的只有2 tun長、50 am厚的矽懸臂，由一種廉價的二極體雷射器振動。

Datskos計劃提高MEMS傳感器的靈敏度，通過將諧振頻率從目前的2 MHz提高到50 MHz，並且相應地使懸臂更小、更硬，最終完成檢測單個分子的目標。

飛思卡爾半導體（Freescale）推出3款具備高感應度的傳感器，採用微機電製成的MMA6270Q（XY一軸）、MMA6280Q（ 一軸）和MMA7261Q（XYZ一軸）傳感器，為鎖定低成本消費電子市場的低重力（1ow—g）傳感器，可以探測透過微小的力量變化就可導致的墜落、傾斜、移動、定位和振動。

MEMS壓力傳感器原理

目前的MEMS壓力傳感器有矽壓阻式壓力傳感器和矽電容式壓力傳感器，兩者都是在矽片上生成的微機械電子傳感器。

矽壓阻式壓力傳感器是採用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗和極低的成本。矽壓阻式壓力傳感器其應變片電橋的光刻版本如圖2。

MEMS矽壓阻式壓力傳感器採用周邊固定的圓形應力杯矽薄膜內壁，採用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。應力矽薄膜與真空腔接觸這一面經光刻生成如圖2的電阻應變片電橋電路。當外面的壓力經引壓腔進入傳感器應力杯中，應力矽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。圖4是封裝如集成電路的矽壓阻式壓力傳感器實物照片。

圖4 矽壓阻式壓力傳感器實物

圖6 電容式壓力傳感器實物

圖5 電容式壓力傳感器結構

電容式壓力傳感器利用MEMS技術在矽片上製造出橫隔柵狀，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物如圖6。

MEMS壓力傳感器的應用

MEMS壓力傳感器廣泛應用於汽車電子如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。

典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結構和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應變片組成的惠斯頓電橋，右為管芯內部結構圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產各種壓力傳感器產品，如圖8所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個封裝內（MCM），使產品設計師很容易使用這個高度集成的產品設計最終產品。

MEMS壓力傳感器的設計、生產、銷售鏈

MEMS壓力傳感器的設計、生產、銷售鏈如圖9所示。目前集成電路的4寸圓晶片生產線的大多數工藝可為MEMS生產所用。但是需要增加雙面光刻機、溼法腐蝕臺和鍵合機三項MEMS特有的工藝設備。壓力傳感器產品生產廠商需要增加價格不菲的標準壓力檢測設備。

對於MEMS壓力傳感器生產廠家來說，開拓汽車電子以及消費電子領域的銷售經驗和渠道是十分重要和急需的。特別是汽車電子對MEMS壓力傳感器的需要量在近幾年激增，如捷伸電子的年需求量約為200-300萬個。

MEMS晶片在設計、工藝、生產方面與IC的異同

與傳統IC行業注重二維靜止的電路設計不同，MEMS以理論力學為基礎，結合電路知識設計三維動態產品。對於在微米尺度進行機械設計會更多地依靠經驗，設計開發工具（Ansys）也與傳統IC（如EDA）不同。MEMS加工除了使用大量傳統的IC工藝，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕，雙面光刻等。MEMS比較傳統IC，工藝簡單，光刻步驟少，MEMS生產的一些非標準的特殊工藝，工藝參數需要按照產品的要求來進行調整。由於需要產品設計、工藝設計和生產三方面的密切配合，IDM的模式要優於Fabless+Foundry的模式。MEMS對封裝技術的要求很高。傳統半導體廠商的4〃生產線正面臨淘汰，即使用來生產LDO，其利潤也非常低，但是，如果生產MEMS，則可獲得較高的利潤。4〃線上的每一個圓晶片可生產合格的MEMS壓力傳感器Die5-6K個，每個出售後，可獲成本7-10倍的毛利（如圖10）。轉產MEMS對廠家的工藝要求改動不大，新增輔助設備有限，投資少、效益高。MEMS晶片與IC晶片整合封裝是集成電路技術發展的新趨勢，也是傳統IC廠商的新機遇。圖11是MEMS在4〃圓晶片生產線上。

〃生產MEMS壓力傳感器成本估計

」圓晶片生產線生產MEMS壓力傳感器成本估計如表所示，新增固定成本是指為該項目投入的人員成本和新設備的折舊（人員：專家1名+MEMS設計師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名，年成本147萬元，新增設備投入650萬元，按90%四年折舊計算）；現有4」線成本是指在5次光刻條件下使用4」線的成本（包括人工、化劑、水電、備件等的均攤成本）；矽片材料成本是指雙拋4寸矽片的價格。

MEMS傳感器是採用微電子和微機械加工技術製造出來的新型傳感器。它具有體積小、質量輕、成本低、功耗低、可靠性高、技術附加值高，適於批量化生產、易於集成和實現智能化等特點。

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