MEMS" title="MEMS">MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是指集微型傳感器,、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路,、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng),。
MEMS壓力傳感器" title="壓力傳感器">壓力傳感器可以用類似集成電路（IC" title="IC">IC）設(shè)計技術(shù)和制造工藝,，進(jìn)行高精度、低成本的大批量生產(chǎn),，從而為消費電子和工業(yè)過程控制產(chǎn)品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開方便之門,，使壓力控制變得簡單易用和智能化。傳統(tǒng)的機(jī)械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形,，由機(jī)械量彈性變形到電量轉(zhuǎn)換輸出,，因此它不可能如MEMS壓力傳感器那樣做得像IC那么微小，成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MEMS壓力傳感器,。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器,，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過1cm,，使性價比相對于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高,。
MEMS壓力傳感器原理
目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機(jī)電傳感器,。
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。其電原理如圖1所示,。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2,。
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)如圖3所示,，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)光刻生成如圖2的電阻應(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,。圖4是封裝如IC的硅壓阻式壓力傳感器實物照片,。
電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫隔柵狀，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器,，上橫隔柵受壓力作用向下位移,，改變了上下二根橫隔柵的間距，也就改變了板間電容量的大小,，即△壓力=△電容量（圖5）,。電容式壓力傳感器實物如圖6。
MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是指集微型傳感器,、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路,、接口電路,、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。
MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路（IC）設(shè)計技術(shù)和制造工藝,，進(jìn)行高精度,、低成本的大批量生產(chǎn)，從而為消費電子和工業(yè)過程控制產(chǎn)品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開方便之門,，使壓力控制變得簡單易用和智能化,。傳統(tǒng)的機(jī)械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形，由機(jī)械量彈性變形到電量轉(zhuǎn)換輸出,，因此它不可能如MEMS壓力傳感器那樣做得像IC那么微小,，成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MEMS壓力傳感器。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器,，MEMS壓力傳感器的尺寸更小,，最大的不超過1cm，使性價比相對于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高,。
MEMS壓力傳感器原理
目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器,，兩者都是在硅片上生成的微機(jī)電傳感器。
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。其電原理如圖1所示,。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2,。
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)如圖3所示，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)光刻生成如圖2的電阻應(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,。圖4是封裝如IC的硅壓阻式壓力傳感器實物照片。
電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫隔柵狀,，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器,，上橫隔柵受壓力作用向下位移，改變了上下二根橫隔柵的間距,，也就改變了板間電容量的大小,，即△壓力=△電容量（圖5）。電容式壓力傳感器實物如圖6,。
MEMS壓力傳感器的應(yīng)用
MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子" title="汽車電子">汽車電子：如TPMS（輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）,、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器,、汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器;消費電子,，如胎壓計,、血壓計、櫥用秤,、健康秤,，洗衣機(jī)、洗碗機(jī),、電冰箱,、微波爐、烤箱,、吸塵器用壓力傳感器,、洗衣機(jī)、飲水機(jī),、洗碗機(jī),、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器;工業(yè)電子，如數(shù)字壓力表,、數(shù)字流量表,、工業(yè)配料稱重等。
典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理如圖7所示,，左是電原理圖,，即由電阻應(yīng)變片組成的惠斯頓電橋,，右是管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產(chǎn)各種壓力傳感器產(chǎn)品,，如圖8所示,。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個封裝內(nèi)（MCM），使產(chǎn)品設(shè)計師很容易使用這個高度集成的產(chǎn)品設(shè)計最終產(chǎn)品,。
MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計,、生產(chǎn)、銷售鏈
MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計,、生產(chǎn),、銷售鏈如圖9所示。目前IC的4英寸圓晶片生產(chǎn)線的大多數(shù)工藝可為MEMS生產(chǎn)所用;但需增加雙面光刻機(jī),、濕法腐蝕臺和鍵合機(jī)三項MEMS特有工藝設(shè)備,。壓力傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)廠商需要增加價格不菲的標(biāo)準(zhǔn)壓力檢測設(shè)備。
對于MEMS壓力傳感器生產(chǎn)廠家來說,，開拓汽車電子,、消費電子領(lǐng)域的銷售經(jīng)驗和渠道是十分重要和急需的。特別是汽車電子對MEMS壓力傳感器的需要量近幾年激增,，如捷伸電子的年需求量約為200~300萬個,。
MEMS芯片在設(shè)計、工藝,、生產(chǎn)方面與IC的異同
與傳統(tǒng)IC行業(yè)注重二維靜止的電路設(shè)計不同,，MEMS以理論力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合電路知識設(shè)計三維動態(tài)產(chǎn)品,，對于在微米尺度進(jìn)行機(jī)械設(shè)計會更多地依靠經(jīng)驗,，設(shè)計開發(fā)工具（Ansys）也與傳統(tǒng)IC（如EDA）不同，MEMS加工除使用大量傳統(tǒng)IC工藝,，還需要一些特殊工藝,，如雙面刻蝕，雙面光刻等,。MEMS較傳統(tǒng)IC工藝簡單,，光刻步驟少，MEMS生產(chǎn)有一些非標(biāo)準(zhǔn)的特殊工藝,，工藝參數(shù)需按產(chǎn)品要求進(jìn)行調(diào)整,，由于需要產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和生產(chǎn)三方面的密切配合,，IDM的模式要優(yōu)于Fabless+Foundry（無芯片生產(chǎn)線公司+代工廠）的模式,。MEMS對封裝技術(shù)的要求很高。傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商的4英寸生產(chǎn)線正面臨淘汰,，即使用來生產(chǎn)LDO也只有非常低的利潤,，如轉(zhuǎn)而生產(chǎn)MEMS則可獲較高的利潤;4英寸線上的每一個圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die 5～6千個,，每個出售后可獲成本7～10倍的毛利（圖10）;轉(zhuǎn)產(chǎn)MEMS改動工藝不大、新增輔助設(shè)備有限,，投資少,、效益高;MEMS芯片與IC芯片整合封裝是IC技術(shù)發(fā)展的新趨勢，也是傳統(tǒng)IC廠商的新機(jī)遇,。圖11是MEMS在4英寸圓晶片生產(chǎn)線上,。
