MEMS壓力傳感器原理與應(yīng)用
MEMS(微電子機(jī)械系統(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(fèi)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)械電子傳感器。
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。惠斯頓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,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(shí)物照片。
圖1 惠斯頓電橋電原理
圖2 應(yīng)變片電橋的光刻版本
圖3 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)
圖4 硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物
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(shí)物如圖6。
圖5 電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)
圖6 電容式壓力傳感器實(shí)物
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:如TPMS、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(fèi)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,空調(diào)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。
圖7 典型的MEMS壓力傳感器管芯(die)結(jié)構(gòu)和電原理
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(xiàng)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;
圖9 MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計、生產(chǎn)、銷售鏈
對于MEMS壓力傳感器生產(chǎn)廠家來說開拓汽車電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域的銷售經(jīng)驗(yàn)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(yàn),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。
4英寸生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計
4英寸圓晶片生產(chǎn)線生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計如表所示,新增固定成本是指為該項(xiàng)目投入的人員成本和新設(shè)備的折舊(人員:專家1名+MEMS設(shè)計師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名,年成本147萬元,新增設(shè)備投入650萬元,按90%四年折舊計算);現(xiàn)有4英寸線成本是指在5次光刻條件下使用4英寸線的成本(包括人工、化劑、水電、備件等的均攤成本);硅片材料成本是指雙拋4寸硅片的價格。
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