硅压力传感器 （上篇）

【MEMS发展的总体大背景】

微纳制造技术具有极强的应用渗透力，应用领域也在不断地扩展，而物联 、智能手机（移动终端）、医疗与健康监护等应用领域未来几年对微纳制造技术需求巨大，主要技术发展从单一微纳器件发展到微纳系统，其技术要素主要涵盖了多功能化、智能化以及集成化。而对于微纳制造技术的技术驱动来说，相关的科研结构采用了新材料（诸如石墨烯）、新结构，并与纳米、生物、信息等进行融合，会出现新的器件以及系统，引领了微纳制造技术的发展，在这种发展的过程中会出现学科交叉以及多样性等特征。

【硅压力传感器】

以下简单介绍下硅微压力传感器的发展历史，分别经历了如下四个阶段： (1945-1960年) 发明阶段：硅微压力传感器最早源于美国。1945年史密斯先生（C.S. Smith）发现了硅与锗的压阻效应，使半导体材料与传统的机械式压力传感器具有相似的特性。依据该原理制成的压力传感器把应变电阻片粘在金属薄膜上，将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1 cm。（1960-1970年）技术发展阶段：随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的（001）或（110）晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能。（1970-1980年）商业化集中加工阶段：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性腐蚀技术，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。（1980- 至今） 微机械加工阶段：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器，其线宽可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。（Eaton, William P., and James H. Smith. “Micromachined pressure sensors: review and recent developments.” Smart Materials and Structures 6.5 (1997）

硅微压力传感器的分类大致可以分为压阻式、电容式、光学式以及谐振式等四类压力传感器，主要的原理、优点、缺点以及示意图如下所示。

【硅压力传感器的市场】

根据Yole Développement的最新 告，MEMS压力传感器市场的年增长率预计为3.8%，到2023年总体市场规模将增长至20亿美元。汽车产业是MEMS压力传感器历史最悠久也是最大的市场。得益于近些年压力传感器在高端智能手机和平板电脑中的快速普及，消费类市场现已成为第二大压力传感器市场。医疗和工业市场在应用端没有显著的改变，因此这两块市场正以平稳的速度增长。航空电子和高端应用仍然是压力传感器的利基市场，但得益于活跃的飞机市场和MEMS压力传感器对传统技术的取代，因此展现了最快的市场增长率。

【硅压力传感器相关产品介绍】

意法半导体的超小型硅压力传感器使用创新的MEMS技术提供超高的压力分辨率，具有超紧凑和纤薄的封装。器件采用意法半导体的VENSENS技术，可将压力传感器装配在单片硅芯片上，无需进行晶片粘合，并使可靠性达到最高水平。这个VENSEN技术主要是通过覆盖在气腔上的柔性硅薄膜检测压力变化，其中气隙是可控制的，压力也已经定义。与传统的硅微加工薄膜相比，新产品的薄膜非常小，内建的微机械制动结构可防止气压破坏薄膜。这个薄膜包括电阻值随着外部压力变化而改变的微型压电电阻器。压力传感器监控硅薄膜电阻的变化，采用温度补偿方法修正变化偏差，把检测到的变化信息转换成二进制比特数据，通过工业标准I2C或SPI通信接口将数据传送至设备主处理器。

意法半导体的MEMS压力传感器系列的重要技术特性包括：使应用在环境变化时依然稳定工作的先进的温度补偿性能，覆盖所有可能的应用海拔（从最深的矿井到珠穆朗玛峰峰顶）的260至1260 hPa的绝对压力范围，小于4μA的低功耗，以及小于1Pa RMS的压力噪声。