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MEMS压力智能传感器相关介绍
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MEMS相关介绍MEMS相关介绍

压力智能传感器是MEMS中应用最广泛的产品之一,它可以应用于智能手机、汽车、航空动力学、过程控制和生物医学等领域,而且压力传感器有微压、低压、中压和高温高压等多种类型。MEMS压力传感器按传感原理可分为压阻型、电容型、光学型、谐振型和其它类型,其中压阻型压力传感器最为常见,本文从压阻传感器的发展趋势和MEMS电容传感器的发展趋势两个方面进行了分析。

从20世纪50年代开始,MEMS压力传感器的研究经历了金属单光阑压力传感器、掺杂扩散膜硅压阻传感器、离子注入硅压阻传感器、硅融合成键MEMS压力传感器等,在21世纪初发展成为采用表面微机械技术的新一代。2005年,G.Lammel等报道了Bosch公司开发的新一代MEMS压力智能传感器,利用多孔Si薄膜技术,利用多孔Si和外延形成带腔Si单晶薄膜。后期批量生产的代表产品BMP085,其电子部件包括ADC、控制器、E2PROM和I2C总线等电路,计算软件采用Bosch公司的C代码,该传感器在3001100hPa压力范围内,065℃范围内压力绝对精度±1.0hPa。近年来MEMS压力智能传感器的研究热点包括:新型传感器的结构、新型补偿算法和电路设计、宽禁带材料高温高压传感器、压阻悬臂微传感器和纳米尺度传感器等。

微压力智能传感器具有尺寸小、直接的信号转换机制以及制造工艺成熟等特点,但在微压力测量领域中,传感器的灵敏度与线性度往往是不可调和的。降低传感器的灵敏度与线性度之间的矛盾是提高传感器测量精度的关键。2017年,C.Li等报道了一种压阻压力传感器的设计,它由4根短梁和一个中心方形凸起(FBBM)组成。把4个短梁引入薄膜中,在薄膜表面形成应力集中区,压敏电阻被放置在其中,薄膜稍有偏转,可以提高压阻灵敏度。另外,中央方形凸起薄膜还可以减小偏转,从而减小压力的非线性。对传感器进行了有限元分析,建立了系列方程,并对其进行了优化设计。以MEMS体微机械工艺为基础,结合阳极连接技术,设计了压力传感器芯片的主要制造工艺。仿真结果表明,在室温下,压力范围为0~5kPa,灵敏度为4.71毫伏/伏/kPa,非线性系数为0.75%。

针对智能中央空调系统对高效低程压力传感器的需求,2017年,H.S.Zou等报道了采用体Si下薄膜(TUB)微机械技术的高效低程压力传感器。TUB单圆片结构中,由于压力引起的应力高度集中在体Si型梁的岛状结构上,这样压阻就能被读出,这里在体Si型材下形成的薄而均匀的多晶硅薄膜就能承受压力。梁一岛加强结构,减小偏移,输出线性度高。身体硅岛下形成的微柱子可以用作超限保护的止动器。设计并制作了大小为1.2mmx1.2mm的感应器芯片,实验结果表明,在1.2kPa的压力测量范围内,感应器的输出为22mV,线性度±0.05%FS,保护能力为100倍过压。

在2018年,A.V.Tran等报道了一种低压力传感器,它采用横梁和半岛形两种新型传感膜结构。通过优化灵敏度设计,采用有限元分析方法,对压电膜在不同压力下的电阻变形和压电膜变形进行了应力预测。仿真结果表明,采用这种新型传感结构的传感器在膜偏和非线性误差明显减小的情况下,能显著提高传感系统的灵敏度。用体Si技术研制了一种低压力传感器,实验结果表明,该传感器在室温下具有0~5kPa的压力范围,灵敏度可达257mV/kPa,整个测量范围的非线性为-0.28%。通常在极端情况下使用压力变送器时,静态压力要比正常工作范围压差大几百倍,因此,压力变送器使用的压阻式压力传感器必须具有抗超压能力。

Tokuda和其他人在2016年报道了一种采用三维刻蚀和晶片层叠加技术,并内置超压保护的新型压力传感器。感测晶片结构由感测膜片、两个具有非球面结构的止动器上下两片玻璃片组成;为防止感测膜片粘着,在感测膜片上形成蜂窝形状。这种结构是通过灰度光刻、晶圆级表面连接、Bosch工艺与非Bosch工艺相结合来实现的。这种传感器能有效地抵抗60MPa的过压,比正常工作范围内的100kPa的压力高600倍;另外,它还能精确测量芯片的压差和静态压力。

在石油化工、生物医药、电力等行业中,压力测量系统是生产过程与管理的重要设备。微机电压力智能传感器以其成本低、尺寸小、制造方便等特点,在工业压力测量系统中得到广泛应用。硅敏元件对温度具有内在的交叉敏感性,需要对热漂移进行温度补偿,以提高测量精度。2014年,G.W.Zhou和其他人报道了一种基于神经网络的硅压阻式压力传感器温度补偿系统。该系统的硬件部分包括:压力传感器、温度传感器、信号调节、微控、LCD显示、通讯模块、电源模块及接口电路等。提出了用神经网络对温度进行补偿的方案,采用后传神经网络和径向基函数神经网络对三层神经网络进行训练。试验结果表明,在020MPa压力、-2060℃温度范围内,传感器的最小二乘法线性度由1.0819%提高到0.19%,测量精度由0.7395%提高到0.2%。采用单片机(uC)或数字信号处理器(DSP)作为主流智能MEMS压力传感器的设计特点,并引入压力传感器的补偿算法,从而实现了压力传感器的数字通信。

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