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基于MEMS技術的壓力感測系統(tǒng)的設計

發(fā)布時間:2014-12-26 責任編輯:echolady

【導讀】傳統(tǒng)的壓力感測系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這個時代的需要,越來越多的領域尋求更加有效的性能,或者更加適合的替代技術。MEMS技術走進人們的視線,壓力感測也成為目前采用MEMS技術的領域之一。

基于MEMS技術的壓力感測系統(tǒng)的設計
圖1
 
MEMS傳感器是基于以下的工作原理。在有壓力存在時,將會導致一個非常敏感的微機械加工的硅膜(silicon diaphragm)結構體產(chǎn)生形變。此結構體發(fā)生形變的程度直接與流經(jīng)植入電阻網(wǎng)絡的電信號相關,由此可以精確測量作用于傳感器上的壓力。由于硅材料特殊的彈性性能,膜片的形變是臨時性的并且可逆。

傳統(tǒng)機電型壓力傳感器設備的特征是體積較大,并且單價成本較高,因此在空間受限、成本敏感的應用中有很大的局限性。而相應的MEMS器件結構緊湊,堅固耐用,也因此具有更高的可靠性以及相對比較廉價的成本。 MEMS傳感器的另一個主要優(yōu)點是,它與普通的CMOS工藝技術兼容,因此傳感器元件可以和所需的信號調節(jié)電路集成到一個單一的半導體硅片,從而形成單片式壓力感測解決方案。

傳統(tǒng)基于陶瓷或金屬基底的傳感器不可能把這些功能集成在一起,使其更容易受到電磁干擾,嚴重影響傳感器整體性能。最后,MEMS壓力傳感器可以通過包封工作在其他介質中,以便可以進一步提高感測系統(tǒng)的整體魯棒性(robustness)。在傳感器需要用來測量液體的壓力時,這種設計特別重要。傳感器所處的工作介質通過金屬膜與MEMS傳感單元隔離,MEMS器件與金屬膜之間的空隙是由非導電液體填充,這樣可以把壓力從金屬膜傳送到MEMS元件。

為了滿足日益增長的對更先進壓力感測方案的需求,邁來芯(Melexis)公司最近在產(chǎn)品組合中新增加了兩個汽車級基于MEMS技術的壓力傳感器芯片。這些AEC-Q100認證的器件使用邁來芯公司自己的專有工藝技術制造,同時具有高靈敏度和高線性度,目標市場是汽車壓力監(jiān)控應用(如發(fā)動機/變速箱油壓、空調系統(tǒng)壓力監(jiān)測等)以及工業(yè)過程控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械、家用電器(如冰箱)和消費電子產(chǎn)品等等。MLX90815經(jīng)優(yōu)化設計用于從0到30bar的絕對壓力測量,而MLX90816能夠測量從30到50bar的滿量程絕對壓力,二者互相補充。

這些芯片的傳感器單元都包括有一個壓阻惠斯登電橋(piezo-resistive Wheatstone bridge),其連接到蝕刻在半導體硅片的微小壓力隔膜。惠斯登電橋的輸入端加有偏置電壓,在有壓力作用于隔膜時,惠斯登電橋輸出端會發(fā)生差分電壓變化。這些傳感器可以直接應用在常規(guī)的非腐蝕性(non-corrosive)/非侵蝕性(non-aggressive)介質中,或者根據(jù)需要做成充油式傳感器模塊設計。

隨著更廣泛地使用壓力傳感器的新市場機會不斷出現(xiàn),以往傳感器技術的固有缺點正變得越來越明顯,較大的外形、較差性能和非常高的成本限制了其適用性。相反,通過采用微型傳感結構和成本優(yōu)化的晶圓批量制造,MEMS技術的市場采用注定要大幅度上升。MEMS技術能夠應對汽車、工業(yè)和醫(yī)療保健等要求苛刻的應用環(huán)境,但并不會增大系統(tǒng)成本,這種特性正在電子工程設計群體中越來越受歡迎。面對嚴格的性能要求,MEMS傳感器除了可實現(xiàn)更高的集成度,其更高的靈敏度和耐用性都為該技術的光明前景增大了籌碼。

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