MEMS硅壓阻式壓力傳感器具有什么特點(diǎn)性能？它的結(jié)構(gòu)原理是什么？

在生活的各個領(lǐng)域中壓力都是一個關(guān)鍵參數(shù)。壓力傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)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?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。

MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)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(dá)0.01%~0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如下，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成電阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個電阻應(yīng)變片因此而發(fā)生電阻變化，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，產(chǎn)生電橋輸出與壓力成正比的電壓信號。

由于硅材料對溫度較為敏感、力敏電阻的不匹配及其漏電流的影響會產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象、導(dǎo)致靈敏度降低，是MEMS 壓阻式壓力傳感器實用化過程中的關(guān)鍵制約因素。針對溫度影響因素，可采用硬件補(bǔ)償和算法補(bǔ)償?shù)姆绞?。硬件補(bǔ)償主要是通過增加熱敏電阻、調(diào)平電阻等方式使得惠更斯電橋在無外界壓力時輸出為零，有效抑制或者消除零點(diǎn)漂移。算法補(bǔ)償主要根據(jù)現(xiàn)有硬件條件，在對傳感器實驗基礎(chǔ)上，對輸出進(jìn)行二次修正，以抑制或者消除由于溫度變化產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移。常用的算法包括最小二乘法擬合直線補(bǔ)償法、曲線擬合補(bǔ)償法，以及出現(xiàn)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償方法。

硅壓阻式壓力傳感器都由3個基本部分組成(圖2)：①基體，直接承受被測應(yīng)力;②波紋膜片，將被測應(yīng)力傳遞到芯片;③芯片，檢測被測應(yīng)力。芯片是在硅彈性膜片上，用半導(dǎo)體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4個感壓電阻，將他們連成惠斯通電橋構(gòu)成了基本的壓力敏感元件。

膜片即是力敏電阻的襯底，又是外加應(yīng)力的承受體，所以是壓力傳感元件的核心部分。在硅膜片上的背面要用機(jī)械或化學(xué)腐蝕的方法加工成中間很薄的凹狀，稱為硅杯，在它的正面制作壓阻全橋。如果硅杯是圓形的凹坑，就稱為圓形膜片。膜片還有方形、矩形等多種形式。當(dāng)存在外加應(yīng)力時，膜片上各處受到的應(yīng)力是不同的。4個橋臂電阻在模板上的位置與方向設(shè)置要根據(jù)晶向和應(yīng)力來決定。

膜片的設(shè)計和制作決定了傳感器的性能及量程。舉例一種充油封裝結(jié)構(gòu)，在傳感器的波紋膜片及芯片之間填充了硅油，這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器已相當(dāng)成熟。量程為0～100kPa至0～60MPa，工作溫度為-55℃～125℃，精度為0.5%～0.1%;能夠?qū)崿F(xiàn)表壓、絕壓測量。

壓力科普：

壓力傳感器的類型

一般來說，工業(yè)應(yīng)用中最常用的壓力傳感器有三種：表壓、絕壓和差壓。

表壓

表壓參考大氣壓或環(huán)境壓力的測量值，通常為 14.7 PSI 或 1013.25 mb?！罢眽毫κ歉哂诃h(huán)境的壓力，“負(fù)”壓力是低于環(huán)境的壓力。表壓在長時間測量壓力的應(yīng)用中最有用，幾乎不需要額外校準(zhǔn)。

絕對壓力

這種類型的壓力是在絕對真空下測量的。完全真空的絕對壓力為零 PSI。絕對壓力傳感器在必須檢測低于大氣壓的壓力的應(yīng)用中非常有用。例如，高度計是一種絕對壓力傳感器，用于檢測海平面以上或以下的高度。

差壓

這種壓力類型是測量壓力和第二個參考壓力之間的差值。參考壓力可以是大氣壓力(表壓)或可以高于或低于被測量壓力的其他壓力。差壓傳感器在測量流量時特別有用。