壓力感測器比較完整的介紹

2021-03-03 20:27:29 字數 3240 閱讀 1425

mems壓力感測器可以用類似積體電路(ic)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感測器開啟方便之門,使壓力控制變得簡單易用和智慧型化。傳統的機械量壓力感測器是基於金屬彈性體受力變形,由機械量彈性變形到電量轉換輸出,因此它不可能如mems壓力感測器那樣做得像ic那麼微小,成本也遠遠高於mems壓力感測器。相對於傳統的機械量感測器,mems壓力感測器的尺寸更小,最大的不超過1cm,使價效比相對於傳統「機械」製造技術大幅度提高。

目前的mems壓力感測器有矽壓阻式壓力感測器和矽電容式壓力感測器,兩者都是在矽片上生成的微機械電子感測器。

矽壓阻式壓力感測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,極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式感測器,如無壓力變化,其輸出為零,幾乎不耗電。其電原理如圖1所示。

矽壓阻式壓力感測器其應變片電橋的光刻版本如圖2。

mems矽壓阻式壓力感測器採用周邊固定的圓形的應力杯矽薄膜內壁,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。

矽壓阻式壓力感測器結構如圖3所示,上下二層是玻璃體,中間是矽片,矽片中部做成一應力杯,其應力矽薄膜上部有一真空腔,使之成為乙個典型的絕壓壓力感測器。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感測器應力杯中,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訊號。

圖4是封裝如ic的矽壓阻式壓力感測器實物**。

電容式壓力感測器利用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感測器,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)。電容式壓力感測器實物如圖6。

mems壓力感測器廣泛應用於汽車電子:如tpms、發動機機油壓力感測器、汽車剎車系統空氣壓力感測器、汽車發動機進氣歧管壓力感測器(tmap)、柴油機共軌壓力感測器;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、吸塵器用壓力感測器,空調壓力感測器,洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力感測器;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壓力感測器管芯(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,右是管芯內部結構圖。典型的mems壓力感測器管芯可以用來生產各種壓力感測器產品,如圖8所示。mems壓力感測器管芯可以與儀表放大器和adc管芯封裝在乙個封裝內(mcm),使產品設計師很容易使用這個高度整合的產品設計最終產品。

mems壓力感測器die的設計、生產、銷售鏈如圖9所示。目前ic的4寸圓晶元生產線的大多數工藝可為mems生產所用;但需增加雙面光刻機、濕法腐蝕臺和鍵合機三項mems特有工藝裝置。壓力感測器產品生產廠商需要增加**不菲的標準壓力檢測裝置。

對於mems壓力感測器生產廠家來說開拓汽車電子、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壓力感測器的需要量近幾年激增,如捷伸電子的年需求量約為200-300萬個。

據ihs isuppli公司的mems與感測器研究報告,由於**相對較高,以及在汽車、醫療與工業等領域的應用範圍不斷擴大,壓力感測器到2023年將成為銷售額最高的微機電系統(mems)器件。

因為汽車產業在衰退之後強勁復甦,去年壓力感測器銷售額比2023年增長26%,達到12.2億美元,在所有mems器件中排名第二。今年增長將比較溫和,預計增長6%,銷售額將達到13億美元,但預計2023年增長率將達到兩位數。

憑藉穩步擴張,壓力感測器三年後將成為銷售額最高的mems器件,力壓無處不在的加速計與越來越受歡迎的陀螺儀。由於補償水平、裸片校準與封裝型別的不同,mems壓力感測器的平均**目前相差很大,面向**值工業與醫療應用的從幾美元到幾十美元不等,而面向飛機液壓系統或飛行資料測量等最專業應用的則高達幾百美元,包括在惡劣的介質、溫度和壓力條件下的工業應用組合。

到2023年,mems壓力感測器銷售額將達到19.7億美元,2010-2023年的復合年度增長率為10%。mems壓力感測器在多種應用領域得到大量使用

mems壓力感測器是一種薄膜元件,受到壓力時變形。可以利用應變儀(壓阻型感測)來測量這種形變,也可以通過電容感測兩個面之間距離的變化來加以測量。這兩種方法都很流行,輪胎壓力監測系統使用比較結實的壓阻方法。

汽車產業仍然是mems壓力感測器的最大應用領域,佔其銷售額的72%,其次是醫療電子佔12%,工業領域佔10%,消費電子與軍用航空佔據其餘的6%市場。

在汽車領域,引擎管理是其主要應用,包括汽油發動機中的歧管空氣壓力感測器和柴油車中的共軌壓力感測器,尤其是在歐洲。為了改善燃燒情況,有些組織也在研究可以在汽缸內工作的壓力感測器,以更好地測量參與化學反應的各種物質的準確比例,並把資料反饋給引擎管理系統。

由於工作環境惡劣,汽車感測器的**比消費類感測器高得多。另外,汽車感測器需要較長的鑑定時間,而且這些感測器必須能可靠工作長達15年的時間。有些感測器,比如剎車或輪胎壓力感測器,對於汽車安全至關重要。

mems壓力感測器在汽車中的乙個新應用是傳動系統壓力感測,通常用於自動裝置之中,但也用於新型雙離合器傳動系統。德國廠商博世最近進入該市場,推出了一款mems解決方案,使用油來保護矽薄膜,使其可以最高耐受70巴的壓力。博世幾年前也曾為mems壓力感測器帶來巨大變化,當時使用的是多孔矽,帶來了高度可靠的mems器件,這些器件已用於目前的側面氣囊等應用之中。

在醫療市場,壓力感測器主要充當外科手術使用的一次性低成本導管。但它們也用於昂貴的裝置之中,在連續氣道正壓通氣(cpac)機中感測壓力與差流。這些器件潛力巨大,可能在2023年以後成為可植入感測器。

可植入感測器不需要電池就能工作,可以用於心臟測量和監測青光眼。

在工業領域,mems壓力感測器的主要應用包括採暖通風及空調(hvac)、水平面測量、各種工業過程與控制應用。例如,除了精確的高度氣壓測量,飛機使用感測器監測引擎、襟翼等其它部件。

mems壓力感測器在消費與移動裝置中不是特別熱

到目前為止,mems壓力感測器在消費電子與移動領域的應用不是特別普遍,銷售額還不到2000萬美元。但其應用多種多樣,包括氣象站、運動手錶、自行車電腦、潛水裝置和步數計。還可以用於白色家電,如節能型洗衣機使用的水位感測器。

在移動領域,迄今沒有什麼大規模的應用。將來高階智慧型手機可能採用壓力感測器充當高度計,支援室內位置服務,但目前尚不具備這方面的基礎設施。在平板電腦領域,迄今壓力感測器只用於使其能夠顯示本地天氣情況。

與加速計和陀螺儀在消費電子與移動領域得到廣泛使用相比,未來幾年壓力感測器在該領域的應用仍將非常有限。

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