硅电容传感器 仪表工试题——硅微电容传感器的结构和特点

仪表工试题——硅微电容传感器的结构和特点

2-59什么是硅微电容传感器？它有什么特点？

答 硅微电容传感器是富士智能变送器中的敏感元件。它是一个电容，体积特别小，只有9×9×7mm，用硅材料制成，故称硅微电容传感器。

图2-18为硅微电容传感器结构示意图。电容的三个极是在晶体硅薄片上经过等离子刻蚀等一系列微机械工序加工而成，中间的为可动电极1（又称测量膜片），两边的则为固定电极2，三个极片构成两个差动电容，高压力Ph和低压力Pl分别

通过金属化的通孔3作用在测量膜片的两边。当Ph和Pl不等时，膜片便产生与Ph和Pl之差成比例的位移，于是一边的电容增加，另一边的电容减少，这种硅微电容传感器的特点是：

1—测量膜片（单结晶体硅）；2—固定电极；3—金属化的通孔；

4—陶瓷；5—引线：6一电极

①　体积小，功耗低，响应快，便于集成；

②　构成电容的硅材料性能优良，膨胀系数只有不锈钢的1/4，硅的弹性滞后小，没有疲劳，因而仪表的温度性能好，零点稳定，不需经常调整；

③　硅膜片的工作位移只有4μm，所以位移与压力的线性关系好。加上测量膜片采用沟状结构，其移动接近理想的平行板电容器，故仪表的线性好，精度高。

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，而物联网、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的最新报告，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。

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