MEMS压阻式压力传感器这些知识你都了解吗

据麦姆斯咨询介绍，Merit Sensor是MEMS压阻式压力传感器及其解决方案的领先制造商，为Merit Medical子公司，总部位于美国犹他州南约旦。1991年，Merit Medical董事长创立了Sentir Semiconductor。1999年，Sentir Semiconductor与Merit Medical垂直整合，2002年，Sentir Semiconductor更名为Merit Sensor。Merit Medical建有4英寸MEMS晶圆制造厂，占地40,000平方英尺，实际使用面积15,000平方英尺，基于成熟的MEMS制造工艺平台，有助于其压力传感器的大批量生产，尤其是苛刻环境下应用的压力传感器。近日，传感器领域知名媒体AZoSensors采访了Merit Sensor工程经理Scott Sidwell，双方讨论了MEMS压阻式压力传感器、硅基传感芯片，以及这些传感器在一系列行业中的应用。

Q：请您简单介绍一下压力传感器及其对各行各业的意义。

Scott Sidwell：压力传感器是一种重要元器件，在各行各业发挥着关键作用。最近的市场研究表明，压力传感器及模组市场预计将呈现显著增长趋势，到2028年市场规模预计将达到近245亿美元。

压力传感器在汽车、工业自动化和过程控制、潜水和电动自行车等消费产品，以及重要的医疗领域都有应用。

压力传感器是一种感受压力信号，并能按照一定规律将压力信号转换成可用输出电信号的器件或装置。以常见的注射器为例，在施加相同推力的情况下，较小的注射器会比较大的注射器产生更大的压强。在处理压力传感器时，理解这一概念至关重要。

Q：大气压是我们经常听到的一个术语。您能解释一下它是什么以及它与压力传感器的相关性吗？

Scott Sidwell：大气压力本质上是空气压在我们身上的“重量”。当我们乘坐飞机或航天器上升时，空气的密度会降低，氧气等气体分子也会减少。在测量应用中的压力时，考虑大气压力很重要，因为这将决定所需压力传感器的类型。

Q：除了汽车行业，还有哪些主要应用从压力传感器受益，它们是如何使用的？

Scott Sidwell：压力传感器的应用很广泛，远远超出了其在汽车行业的传统用途。例如，潜水是压力传感器发挥关键作用的行业之一。在这个领域，压力传感器被用来监测潜水员在水下的深度，使他们能够准确地计算上升和下降时间。充满危险的水下环境需要可靠的压力测量，以确保潜水员的安全。

此外，压力传感器早已进入消费产品市场。例如，在自行车领域，特别是新兴的电动自行车领域，压力传感器被集成到多种组件中。这些压力传感器可用于自行车减震器、轮胎以及其它关键部件，以增强整体性能和用户体验。

Q：压阻式压力传感器的工作原理是什么，有哪些典型应用？

Scott Sidwell：Merit Sensor设计并制造MEMS压阻式压力传感器，用于精确、可靠的压力测量。压阻式压力传感器是压力传感器中的一种子类型，以其多功能性和广泛用途而闻名。压阻式传感器的工作原理涉及掺杂的半导体硅晶体，这使其相比其它技术的压力测量可重复性更好。

压阻式压力传感器的应用不局限于单一领域，它们被用于多个行业，包括医疗行业。在血管成形术等外科手术中，压力传感器起着至关重要的作用。在这些手术中，压力传感器的输出有助于外科医生监测球囊内的充气水平，评估手术的整体状态。

Q：您能解释一下什么是MEMS技术及其在压力传感器领域的优势吗？

Scott Sidwell：MEMS是微机电系统（Micro-Electrical-Mechanical Systems）的简称，MEMS器件的类型很多。MEMS压力传感器大多采用沉积、离子注入和扩散等半导体制造基础工艺，还有光刻和蚀刻工艺。MEMS压力传感器采用弹性硅膜片，这意味着它们没有迟滞和蠕变。

这种弹性对传感器有利，因为这使得传感器可以经历重复的压力循环而不改变其特性。当传感器随时间推移发生蠕变或其它变化时，几乎总是由它们的封装方式决定的，而不一定是硅芯片本身的问题。采用半导体工艺，在一块晶圆上制造数千个压力传感器还大大有助于降低器件的成本。

Merit Sensor在美国犹他州设有MEMS晶圆厂。和我们这样拥有MEMS晶圆厂的供应商合作有很多好处。当涉及到新产品开发时，拥有自己的MEMS晶圆厂是一个巨大的优势，因为这可以使我们更好地控制供应链。保持内部设计与制造通常被认为是MEMS产品成功开发和推出的关键。

Q：请给我们简单普及一下MEMS压力传感器。

Scott Sidwell：MEMS压力传感器的关键设计是惠斯通电桥，由硅蚀刻隔膜上的一组四个电阻器组成。当压力施加到隔膜时，电阻器会受到应力，从而改变它们的阻值。该电桥输出的变化对应于施加压力的变化。当客户需要更高的压力范围时，传感器需要更厚的隔膜来处理增加的压力。相反，对于低压测量，薄隔膜就可以满足要求。

我们的MEMS硅芯片完成制造之后，会被键合到玻璃上。该玻璃上可以有一个开孔，为各种压力应用提供通风口，也可以在没有孔的情况下密封。在后一种情况下，玻璃和硅芯片会在真空中键合在一起。

该玻璃上没有孔的，被称为绝压传感器，硅芯片和玻璃之间的空间代表绝对零压力。

由MEMS芯片制成的绝压传感器有两种类型。传统类型的背面玻璃上没有孔，为绝对压力创造了一个密封的真空对照。然而，这种设计被测量介质与压力传感器芯片顶部的有源电子元件接触，需要对顶部的电路进行保护，以防止潮湿或湿气引起的腐蚀和短路。

或者，还有一种背压式绝压传感器。在这种设计中，将一块玻璃添加到硅的顶部，在顶部形成密封的真空对照，使MEMS芯片的背面受压。这种类型通常用于汽车和高温应用，以及液体压力测量。

Q：为什么压力传感器的封装很重要？

Scott Sidwell：压力传感器经常暴露在恶劣的流体中，例如气体、油、制冷剂和其它腐蚀性溶剂，如果传感器封装不当，这些流体可能会损坏传感器的电路。损坏的压力传感器会导致传感错误，并最终导致产品召回和安全风险。

举例来说，不锈钢是一种很好的衬底材料，但它的热膨胀系数（TCE）远高于制造MEMS芯片的硅材料。换言之，不锈钢的膨胀和收缩比硅大得多，这些差异导致基于不锈钢的MEMS传感元件会像感受到实际压力一样做出响应，从而引入更多的传感误差。此外，还必须考量介质、键合压力、湿度等因素。

Q：请进一步介绍零偏、非线性和滞后等误差因素。

Scott Sidwell：零偏压力是室温下的零压测量值。压力非线性是指传感器输出从零压力到满刻度压力的输出特性曲线与拟合直线的偏离程度。滞后反映了施加压力到释放压力时初始零点和返回零点之间的差异。MEMS传感芯片设计正是旨在最大限度地减少这些误差源。

Q：电阻温度系数（TCR）和灵敏度温度系数（TCS）等温度相关因素，如何影响压力传感器的输出？

Scott Sidwell：在理想设置中，惠斯通电桥所有电阻器都将完美匹配并且完全不受温度影响。然而，实际上，每个电阻器的电阻值之间存在差异。此外，温度也会改变电阻值。由温度引起的电阻值和整个电桥输出的变化称为TCR。许多应用都需要独立于温度工作的压力传感器。此类应用需要补偿压力传感器的TCR。

TCR补偿可以通过两种通用方法完成，包括被动和主动。被动补偿，通过在制造过程中微调电阻器来完成，它适用于传感器会经历微小温度变化的环境。被动补偿必须测量每个电桥电阻器的值以确定补偿电阻器所需的值。在主动补偿中，模拟电路、微控制器或信号调节器记录各种压力和温度条件下的电桥输出，并相应地调整传感器输出。

TCS是重要的考量因素，尤其是在宽工作温度范围的应用中。TCS总是小于零，当使用MEMS压阻式压力传感器时，灵敏度或量程会随着温度的升高而降低。

Q：请您解释一下压力传感器精度的重要性，以及如何实现这一点。

Scott Sidwell：压力传感器的精度通常以总误差带来测量，其中包括与温度和压力相关的误差。实现精度需要校准，带有板载ASIC的完全补偿传感器简化了这一过程，并提供了更高的精度。精度至关重要，尤其对于精确测量至关重要的应用。

Q：应力和其它外部影响如何影响压力传感器？

Scott Sidwell：我们非常自豪能够理解并表征客户无法补偿的误差源：热滞后和长期稳定性。我们的客户最不希望看到的，就是他们手中的压力传感器可能由于长期稳定性问题而造成的故障。

需要注意的是，我们的MEMS器件也是一种良好的应力传感器。例如，MEMS元件上的扭矩或弯曲力矩将改变惠斯通电桥的输出。在封装和组装过程中可能会产生应力，从而影响传感器性能。随着时间的推移，与封装相关的应力会自行缓解并恢复平衡。这种应力消除将表现为压力传感器偏移的变化，也即零偏漂移和长期稳定性。精心处理和封装对于保持传感器稳定性至关重要。

Q：MEMS芯片如何满足广泛的应用（包括特种和通用应用），客户在选择压力传感器时应考量哪些因素？

Scott Sidwell：MEMS芯片在压力换能器或压力变送器应用中很常见，其通常位于传感模组的头部。传感头焊接在带有不锈钢隔膜的不锈钢外壳中。不锈钢是一个很好的封装材料选择，因为它对各种介质非常友好，而且大多数人都非常熟悉不锈钢的特性。这种封装适用于许多工业应用。

将不锈钢隔膜和封装焊接在一起后，将硅油回填进入外壳。清洁的硅油围绕MEMS芯片，在不锈钢隔膜和MEMS元件的硅隔膜之间传递压力。

在暖通空调（HVAC）行业，压力传感器是HVAC系统技术中最重要的组件之一，用于监控系统性能、检查压缩机状况以及监控管道以测试通过通风系统的气流。MEMS芯片可以单独采购，也可以封装到我们的LP系列中并安装在控制板上。这些控制板在大型建筑中，要么位于靠近进气口的建筑顶部，要么位于热交换器和气流系统所在的建筑杂物间中。

另一个常见的应用是交通运输行业。压力传感器广泛应用于各种类型的汽车中。随着立法推动对更高效率和更清洁排放的需求，全球每年的电动汽车销量几乎呈指数级增长，压力传感器在该领域将发挥重要作用。

审核编辑：黄飞