MEMS壓阻式壓力傳感器這些知識(shí)你都了解嗎

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Merit Sensor是MEMS壓阻式壓力傳感器及其解決方案的領(lǐng)先制造商，為Merit Medical子公司，總部位于美國(guó)猶他州南約旦。1991年，Merit Medical董事長(zhǎng)創(chuàng)立了Sentir Semiconductor。1999年，Sentir Semiconductor與Merit Medical垂直整合，2002年，Sentir Semiconductor更名為Merit Sensor。Merit Medical建有4英寸MEMS晶圓制造廠，占地40,000平方英尺，實(shí)際使用面積15,000平方英尺，基于成熟的MEMS制造工藝平臺(tái)，有助于其壓力傳感器的大批量生產(chǎn)，尤其是苛刻環(huán)境下應(yīng)用的壓力傳感器。近日，傳感器領(lǐng)域知名媒體AZoSensors采訪了Merit Sensor工程經(jīng)理Scott Sidwell，雙方討論了MEMS壓阻式壓力傳感器、硅基傳感芯片，以及這些傳感器在一系列行業(yè)中的應(yīng)用。

Q：請(qǐng)您簡(jiǎn)單介紹一下壓力傳感器及其對(duì)各行各業(yè)的意義。

Scott Sidwell：壓力傳感器是一種重要元器件，在各行各業(yè)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。最近的市場(chǎng)研究表明，壓力傳感器及模組市場(chǎng)預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2028年市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到近245億美元。

壓力傳感器在汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制、潛水和電動(dòng)自行車(chē)等消費(fèi)產(chǎn)品，以及重要的醫(yī)療領(lǐng)域都有應(yīng)用。

壓力傳感器是一種感受壓力信號(hào)，并能按照一定規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用輸出電信號(hào)的器件或裝置。以常見(jiàn)的注射器為例，在施加相同推力的情況下，較小的注射器會(huì)比較大的注射器產(chǎn)生更大的壓強(qiáng)。在處理壓力傳感器時(shí)，理解這一概念至關(guān)重要。

Q：大氣壓是我們經(jīng)常聽(tīng)到的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。您能解釋一下它是什么以及它與壓力傳感器的相關(guān)性嗎？

Scott Sidwell：大氣壓力本質(zhì)上是空氣壓在我們身上的“重量”。當(dāng)我們乘坐飛機(jī)或航天器上升時(shí)，空氣的密度會(huì)降低，氧氣等氣體分子也會(huì)減少。在測(cè)量應(yīng)用中的壓力時(shí)，考慮大氣壓力很重要，因?yàn)檫@將決定所需壓力傳感器的類(lèi)型。

Q：除了汽車(chē)行業(yè)，還有哪些主要應(yīng)用從壓力傳感器受益，它們是如何使用的？

Scott Sidwell：壓力傳感器的應(yīng)用很廣泛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其在汽車(chē)行業(yè)的傳統(tǒng)用途。例如，潛水是壓力傳感器發(fā)揮關(guān)鍵作用的行業(yè)之一。在這個(gè)領(lǐng)域，壓力傳感器被用來(lái)監(jiān)測(cè)潛水員在水下的深度，使他們能夠準(zhǔn)確地計(jì)算上升和下降時(shí)間。充滿危險(xiǎn)的水下環(huán)境需要可靠的壓力測(cè)量，以確保潛水員的安全。

此外，壓力傳感器早已進(jìn)入消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)。例如，在自行車(chē)領(lǐng)域，特別是新興的電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域，壓力傳感器被集成到多種組件中。這些壓力傳感器可用于自行車(chē)減震器、輪胎以及其它關(guān)鍵部件，以增強(qiáng)整體性能和用戶體驗(yàn)。

Q：壓阻式壓力傳感器的工作原理是什么，有哪些典型應(yīng)用？

Scott Sidwell：Merit Sensor設(shè)計(jì)并制造MEMS壓阻式壓力傳感器，用于精確、可靠的壓力測(cè)量。壓阻式壓力傳感器是壓力傳感器中的一種子類(lèi)型，以其多功能性和廣泛用途而聞名。壓阻式傳感器的工作原理涉及摻雜的半導(dǎo)體硅晶體，這使其相比其它技術(shù)的壓力測(cè)量可重復(fù)性更好。

壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用不局限于單一領(lǐng)域，它們被用于多個(gè)行業(yè)，包括醫(yī)療行業(yè)。在血管成形術(shù)等外科手術(shù)中，壓力傳感器起著至關(guān)重要的作用。在這些手術(shù)中，壓力傳感器的輸出有助于外科醫(yī)生監(jiān)測(cè)球囊內(nèi)的充氣水平，評(píng)估手術(shù)的整體狀態(tài)。

Q：您能解釋一下什么是MEMS技術(shù)及其在壓力傳感器領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)嗎？

Scott Sidwell：MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electrical-Mechanical Systems）的簡(jiǎn)稱(chēng)，MEMS器件的類(lèi)型很多。MEMS壓力傳感器大多采用沉積、離子注入和擴(kuò)散等半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)工藝，還有光刻和蝕刻工藝。MEMS壓力傳感器采用彈性硅膜片，這意味著它們沒(méi)有遲滯和蠕變。

這種彈性對(duì)傳感器有利，因?yàn)檫@使得傳感器可以經(jīng)歷重復(fù)的壓力循環(huán)而不改變其特性。當(dāng)傳感器隨時(shí)間推移發(fā)生蠕變或其它變化時(shí)，幾乎總是由它們的封裝方式?jīng)Q定的，而不一定是硅芯片本身的問(wèn)題。采用半導(dǎo)體工藝，在一塊晶圓上制造數(shù)千個(gè)壓力傳感器還大大有助于降低器件的成本。

Merit Sensor在美國(guó)猶他州設(shè)有MEMS晶圓廠。和我們這樣擁有MEMS晶圓廠的供應(yīng)商合作有很多好處。當(dāng)涉及到新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，擁有自己的MEMS晶圓廠是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@可以使我們更好地控制供應(yīng)鏈。保持內(nèi)部設(shè)計(jì)與制造通常被認(rèn)為是MEMS產(chǎn)品成功開(kāi)發(fā)和推出的關(guān)鍵。

Q：請(qǐng)給我們簡(jiǎn)單普及一下MEMS壓力傳感器。

Scott Sidwell：MEMS壓力傳感器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)是惠斯通電橋，由硅蝕刻隔膜上的一組四個(gè)電阻器組成。當(dāng)壓力施加到隔膜時(shí)，電阻器會(huì)受到應(yīng)力，從而改變它們的阻值。該電橋輸出的變化對(duì)應(yīng)于施加壓力的變化。當(dāng)客戶需要更高的壓力范圍時(shí)，傳感器需要更厚的隔膜來(lái)處理增加的壓力。相反，對(duì)于低壓測(cè)量，薄隔膜就可以滿足要求。

我們的MEMS硅芯片完成制造之后，會(huì)被鍵合到玻璃上。該玻璃上可以有一個(gè)開(kāi)孔，為各種壓力應(yīng)用提供通風(fēng)口，也可以在沒(méi)有孔的情況下密封。在后一種情況下，玻璃和硅芯片會(huì)在真空中鍵合在一起。

該玻璃上沒(méi)有孔的，被稱(chēng)為絕壓傳感器，硅芯片和玻璃之間的空間代表絕對(duì)零壓力。

由MEMS芯片制成的絕壓傳感器有兩種類(lèi)型。傳統(tǒng)類(lèi)型的背面玻璃上沒(méi)有孔，為絕對(duì)壓力創(chuàng)造了一個(gè)密封的真空對(duì)照。然而，這種設(shè)計(jì)被測(cè)量介質(zhì)與壓力傳感器芯片頂部的有源電子元件接觸，需要對(duì)頂部的電路進(jìn)行保護(hù)，以防止潮濕或濕氣引起的腐蝕和短路。

或者，還有一種背壓式絕壓傳感器。在這種設(shè)計(jì)中，將一塊玻璃添加到硅的頂部，在頂部形成密封的真空對(duì)照，使MEMS芯片的背面受壓。這種類(lèi)型通常用于汽車(chē)和高溫應(yīng)用，以及液體壓力測(cè)量。

Q：為什么壓力傳感器的封裝很重要？

Scott Sidwell：壓力傳感器經(jīng)常暴露在惡劣的流體中，例如氣體、油、制冷劑和其它腐蝕性溶劑，如果傳感器封裝不當(dāng)，這些流體可能會(huì)損壞傳感器的電路。損壞的壓力傳感器會(huì)導(dǎo)致傳感錯(cuò)誤，并最終導(dǎo)致產(chǎn)品召回和安全風(fēng)險(xiǎn)。

舉例來(lái)說(shuō)，不銹鋼是一種很好的襯底材料，但它的熱膨脹系數(shù)（TCE）遠(yuǎn)高于制造MEMS芯片的硅材料。換言之，不銹鋼的膨脹和收縮比硅大得多，這些差異導(dǎo)致基于不銹鋼的MEMS傳感元件會(huì)像感受到實(shí)際壓力一樣做出響應(yīng)，從而引入更多的傳感誤差。此外，還必須考量介質(zhì)、鍵合壓力、濕度等因素。

Q：請(qǐng)進(jìn)一步介紹零偏、非線性和滯后等誤差因素。

Scott Sidwell：零偏壓力是室溫下的零壓測(cè)量值。壓力非線性是指?jìng)鞲衅鬏敵鰪牧銐毫Φ綕M刻度壓力的輸出特性曲線與擬合直線的偏離程度。滯后反映了施加壓力到釋放壓力時(shí)初始零點(diǎn)和返回零點(diǎn)之間的差異。MEMS傳感芯片設(shè)計(jì)正是旨在最大限度地減少這些誤差源。

Q：電阻溫度系數(shù)（TCR）和靈敏度溫度系數(shù)（TCS）等溫度相關(guān)因素，如何影響壓力傳感器的輸出？

Scott Sidwell：在理想設(shè)置中，惠斯通電橋所有電阻器都將完美匹配并且完全不受溫度影響。然而，實(shí)際上，每個(gè)電阻器的電阻值之間存在差異。此外，溫度也會(huì)改變電阻值。由溫度引起的電阻值和整個(gè)電橋輸出的變化稱(chēng)為T(mén)CR。許多應(yīng)用都需要獨(dú)立于溫度工作的壓力傳感器。此類(lèi)應(yīng)用需要補(bǔ)償壓力傳感器的TCR。

TCR補(bǔ)償可以通過(guò)兩種通用方法完成，包括被動(dòng)和主動(dòng)。被動(dòng)補(bǔ)償，通過(guò)在制造過(guò)程中微調(diào)電阻器來(lái)完成，它適用于傳感器會(huì)經(jīng)歷微小溫度變化的環(huán)境。被動(dòng)補(bǔ)償必須測(cè)量每個(gè)電橋電阻器的值以確定補(bǔ)償電阻器所需的值。在主動(dòng)補(bǔ)償中，模擬電路、微控制器或信號(hào)調(diào)節(jié)器記錄各種壓力和溫度條件下的電橋輸出，并相應(yīng)地調(diào)整傳感器輸出。

TCS是重要的考量因素，尤其是在寬工作溫度范圍的應(yīng)用中。TCS總是小于零，當(dāng)使用MEMS壓阻式壓力傳感器時(shí)，靈敏度或量程會(huì)隨著溫度的升高而降低。

Q：請(qǐng)您解釋一下壓力傳感器精度的重要性，以及如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

Scott Sidwell：壓力傳感器的精度通常以總誤差帶來(lái)測(cè)量，其中包括與溫度和壓力相關(guān)的誤差。實(shí)現(xiàn)精度需要校準(zhǔn)，帶有板載ASIC的完全補(bǔ)償傳感器簡(jiǎn)化了這一過(guò)程，并提供了更高的精度。精度至關(guān)重要，尤其對(duì)于精確測(cè)量至關(guān)重要的應(yīng)用。

Q：應(yīng)力和其它外部影響如何影響壓力傳感器？

Scott Sidwell：我們非常自豪能夠理解并表征客戶無(wú)法補(bǔ)償?shù)恼`差源：熱滯后和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。我們的客戶最不希望看到的，就是他們手中的壓力傳感器可能由于長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題而造成的故障。

需要注意的是，我們的MEMS器件也是一種良好的應(yīng)力傳感器。例如，MEMS元件上的扭矩或彎曲力矩將改變惠斯通電橋的輸出。在封裝和組裝過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而影響傳感器性能。隨著時(shí)間的推移，與封裝相關(guān)的應(yīng)力會(huì)自行緩解并恢復(fù)平衡。這種應(yīng)力消除將表現(xiàn)為壓力傳感器偏移的變化，也即零偏漂移和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。精心處理和封裝對(duì)于保持傳感器穩(wěn)定性至關(guān)重要。

Q：MEMS芯片如何滿足廣泛的應(yīng)用（包括特種和通用應(yīng)用），客戶在選擇壓力傳感器時(shí)應(yīng)考量哪些因素？

Scott Sidwell：MEMS芯片在壓力換能器或壓力變送器應(yīng)用中很常見(jiàn)，其通常位于傳感模組的頭部。傳感頭焊接在帶有不銹鋼隔膜的不銹鋼外殼中。不銹鋼是一個(gè)很好的封裝材料選擇，因?yàn)樗鼘?duì)各種介質(zhì)非常友好，而且大多數(shù)人都非常熟悉不銹鋼的特性。這種封裝適用于許多工業(yè)應(yīng)用。

將不銹鋼隔膜和封裝焊接在一起后，將硅油回填進(jìn)入外殼。清潔的硅油圍繞MEMS芯片，在不銹鋼隔膜和MEMS元件的硅隔膜之間傳遞壓力。

在暖通空調(diào)（HVAC）行業(yè)，壓力傳感器是HVAC系統(tǒng)技術(shù)中最重要的組件之一，用于監(jiān)控系統(tǒng)性能、檢查壓縮機(jī)狀況以及監(jiān)控管道以測(cè)試通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)的氣流。MEMS芯片可以單獨(dú)采購(gòu)，也可以封裝到我們的LP系列中并安裝在控制板上。這些控制板在大型建筑中，要么位于靠近進(jìn)氣口的建筑頂部，要么位于熱交換器和氣流系統(tǒng)所在的建筑雜物間中。

另一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用是交通運(yùn)輸行業(yè)。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型的汽車(chē)中。隨著立法推動(dòng)對(duì)更高效率和更清潔排放的需求，全球每年的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量幾乎呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，壓力傳感器在該領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。

審核編輯：黃飛

?