MEMS溫度傳感器的原理介紹

MEMS溫度傳感器的原理是：當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時， MEMS芯片上的硅烷偶聯(lián)劑與硅膠表面結(jié)合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使硅烷的化學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，當(dāng)此變化超過硅烷的臨界值時，將引起硅烷偶聯(lián)劑與硅膠表面發(fā)生作用。

由于MEMS芯片是一個三維集成式元件，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化超過臨界值時， MEMS芯片上的硅表面產(chǎn)生局部應(yīng)力應(yīng)變。而應(yīng)力會在硅烷表面的化學(xué)性質(zhì)上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并在硅表面產(chǎn)生微溝槽結(jié)構(gòu)的微裂紋。通過這些微裂紋的開合以及微溝槽中硅表面化學(xué)性質(zhì)變化的相互作用，將導(dǎo)致硅烷和硅膠之間發(fā)生化學(xué)作用并使硅膠表面溫度升高。當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時，與Si-Ag有化學(xué)反應(yīng)的活性硅化物之間會發(fā)生氧化反應(yīng)而在硅界面處產(chǎn)生氧化層從而使得硅烷在表面上發(fā)生吸附并形成了Si-Ag鍵合；而硅表面上其他反應(yīng)不會發(fā)生使Si-Al鍵合。

近年來，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于傳感器、執(zhí)行器和控制器等眾多領(lǐng)域，如：航空航天、航海導(dǎo)航與控制、計算機、家用電器和電子設(shè)備以及軍工制造等領(lǐng)域。其中溫度傳感器作為MEMS傳感器的一個重要組成部分，在各應(yīng)用領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將為大家介紹一下 MEMS溫度傳感器的分類和特點以及工作原理。MEMS溫度感測系統(tǒng)是一種多功能MEMS感測器件，它通過熱敏元件將溫度轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過數(shù)字接口將這種信號進行放大和邏輯運算轉(zhuǎn)換成控制信號輸出給控制器或其它控制電路；

在我們的日常生活中有很多事情都是通過自動化設(shè)備來完成，而這些自動化設(shè)備中，溫度傳感器起著非常重要的作用。

但是現(xiàn)在幾乎所有智能手機都有溫度傳感器，這是為什么呢？

MEMS傳感器主要用于工業(yè)環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生及軍事領(lǐng)域，是目前最主流、應(yīng)用最廣泛的傳感器類型之一。

由于 MEMS技術(shù)相對于傳統(tǒng)傳感器來說更小、更輕所以更加便于安裝在各種需要測量溫度的地方。

另外 MEMS傳感器因為它具有較低的成本，因此很容易進入到消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

目前已經(jīng)有大量基于 MEMS MEMS傳感器設(shè)計的產(chǎn)品問世，例如我們前面提到的智能手機中采用的就是其中一款溫度測量芯片。

現(xiàn)在市場上有很多關(guān)于 MEMS溫度傳感器的新聞報道，比如國外知名品牌 Molex推出了一款基于 PTC陶瓷和硅基芯片設(shè)計并集成在智能手機上；國內(nèi)知名品牌微特電子也發(fā)布了兩款相關(guān)產(chǎn)品。

今天我們就來簡單了解一下兩個產(chǎn)品都是怎么實現(xiàn)智能手機溫度監(jiān)測功能的，然后看看這其中是否有你感興趣的東西。

一、概述

在前面的文章中，我們已經(jīng)簡單了解了 MEMS溫度傳感器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)。

Molex公司推出的一款智能手機采用了一種基于 MEMS PTC陶瓷和硅基芯片設(shè)計并集成在智能手機上。

與傳統(tǒng)傳感器相比， MEMS PTC陶瓷溫度傳感器可以在很大程度上降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，因此可以廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品中。

它是通過將熱電阻、熱電偶、以及其他一些敏感元件集成在單個元件中，并將其與集成電路（IC）電路相連而制成的。

這些集成在一起的元件就像一個小盒子一樣，它可以很容易地集成在智能手機外殼內(nèi)部和外部。

Molex表示，通過采用微處理器和微控制器控制的 PTC傳感器等部件，用戶只需點擊一下按鈕就可以輕松地對手機進行溫度監(jiān)測。

二、工作原理

Molex的溫度測量系統(tǒng)主要包括三個部分：（1）熱阻匹配電路，用于將熱電偶輸出的信號與熱阻匹配；（2）溫度轉(zhuǎn)換電路，將溫差電磁場轉(zhuǎn)換成電壓輸出；（3）電壓放大和補償電路。

Molex的工作原理如下：

它在兩個熱電偶之間使用一個熱敏電阻的兩種變化，測量出這兩個器件之間的溫差。

然后 Molex再利用溫差電噪聲來檢測溫度變化，然后再將它與之前的信號進行比較計算得到被測溫度。

微特電子提供了一種基于電阻式 PTC熱敏電阻的產(chǎn)品；該產(chǎn)品能夠提供極高的精度、非常高的溫度穩(wěn)定性，并具有非常低的溫度漂移。

微特電子還針對這款產(chǎn)品進行了功能優(yōu)化，使得其能夠在-40℃ +85℃之間具有很高的靈敏度；在-55 +85℃之間具有極強的抗擾性；并且能夠測量-55~+85℃之間存在且非常微弱的信號變化。

三、產(chǎn)品參數(shù)與功能

·溫度傳感器工作溫度范圍為-40℃~+85℃，

·在-40℃~+85℃時，靈敏度不低于100 mV/cm；

·輸出端為05 mA的模擬信號，輸出端可支持15 VDC的充電；

·溫度傳感器最大分辨率為1μm，最小分辨率為0.005μm；

·量程范圍：0100℃（-20°C）或0125℃（-50°C）；

·可根據(jù)客戶需求定制輸出電流（≤50 mA），或輸入信號的最大值（≥10 mA）；

·在測量期間可以設(shè)置工作時間、工作狀態(tài)指示燈等。

四、工作環(huán)境參數(shù)

（1）濕度：小于95% RH （相對濕度）；

（2）溫度：-40~80℃；

（3）海拔：<1000m；

（4）光照度：≤100 lux （無直射陽光）；

（5）空氣流速：<0.8m/s （在風(fēng)速大于10m/s時，可參考2節(jié)距中的公式計算最大風(fēng)速；

六、工藝過程

將芯片放置到模具中，模具上有幾個凹槽，每個凹槽中放置一塊小的圓形硅片，然后再用膠水將其固定在模具上。

接下來就是要對硅基 PTC陶瓷片進行封裝制造了。

我們前面提到了， Molex使用的是一種叫做 SMD的工藝來制作 PTC陶瓷片，它其實就是把電阻元件粘在金屬基底上。

接著要對這些小尺寸和厚度的陶瓷片進行刻蝕?？涛g時使用的材料為 AlN，并通過真空擴散來去除氧化層；最后采用真空燒結(jié)來把這些 PTC陶瓷片燒結(jié)到一起以便形成 PTC傳感器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

微特電子則使用的是另一種工藝就是使用熱壓技術(shù)來實現(xiàn)陶瓷封裝芯片；這樣做能夠有效地解決氧化問題并提高可靠性。

七、應(yīng)用前景與市場規(guī)模

MEMS傳感器可以說是一個非常龐大的市場，主要應(yīng)用領(lǐng)域為消費電子、醫(yī)療和工業(yè)控制等領(lǐng)域。

在消費電子領(lǐng)域， MEMS傳感器因為體積小、重量輕、功耗低、壽命長等特點，可用于各類智能終端的溫度監(jiān)測功能。

例如智能手機中的溫度測溫芯片就是 MEMS傳感器之一，主要用于對手機內(nèi)溫度的監(jiān)測。

另外 MEMS體溫計可以用來檢測是否發(fā)燒，以及體溫是否過高，從而避免被燙傷或者中暑。

根據(jù)市場研究機構(gòu) IC Insights統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2018年全球 MEMS產(chǎn)品銷售收入為245億美元，其中消費電子類產(chǎn)品銷售規(guī)模約占35%，汽車電子占22%。