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(cè)量電路的,，具有較高的測(cè)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(wú)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(gè)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(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路,，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量,，其測(cè)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(gè)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(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)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(hào)。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(chē)電子：如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器,、汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)空氣壓力傳感器,、汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(jì)、血壓計(jì),、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(yáng)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(chēng)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(lái)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(gè)封裝內(nèi)（MCM）,，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很容易使用這個(gè)高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì),、生產(chǎn),、銷(xiāo)售鏈
MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì)、生產(chǎn),、銷(xiāo)售鏈如圖9所示,。目前IC的4寸圓晶片生產(chǎn)線(xiàn)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(tái)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(chǎng)商需要增加價(jià)格不菲的標(biāo)準(zhǔn)壓力檢測(cè)設(shè)備；
圖9 MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì),、生產(chǎn),、銷(xiāo)售鏈
對(duì)于MEMS壓力傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)開(kāi)拓汽車(chē)電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域的銷(xiāo)售經(jīng)驗(yàn)和渠道是十分重要和急需的,。特別是汽車(chē)電子對(duì)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(wàn)個(gè)。
MEMS芯片在設(shè)計(jì),、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(jì)不同，MEMS以理論力學(xué)為基礎(chǔ),，結(jié)合電路知識(shí)設(shè)計(jì)三維動(dòng)態(tài)產(chǎn)品,，對(duì)于在微米尺度進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)更多地依靠經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開(kāi)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(jiǎn)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(jì),、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)三方面的密切配合,，IDM的模式要優(yōu)于Fabless+ Foundry（無(wú)芯片生產(chǎn)線(xiàn)公司+代工廠(chǎng)）的模式。MEMS對(duì)封裝技術(shù)的要求很高,。傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠(chǎng)商的 4英寸生產(chǎn)線(xiàn)正面臨淘汰,，即使用來(lái)生產(chǎn)LDO也只有非常低的利潤(rùn)，如轉(zhuǎn)而生產(chǎn)MEMS則可獲較高的利潤(rùn)；4英寸線(xiàn)上的每一個(gè)圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die 5～6千個(gè),，每個(gè)出售后可獲成本7～10倍的毛利（圖10）,；轉(zhuǎn)產(chǎn)MEMS改動(dòng)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(shì),，也是傳統(tǒng)IC廠(chǎng)商的新機(jī)遇,。圖11是MEMS在4英寸圓晶片生產(chǎn)線(xiàn)上。
4英寸生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計(jì)
4英寸圓晶片生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計(jì)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(zhuān)家1名+MEMS設(shè)計(jì)師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名,，年成本147萬(wàn)元，新增設(shè)備投入650萬(wàn)元,，按90%四年折舊計(jì)算）,；現(xiàn)有4英寸線(xiàn)成本是指在5次光刻條件下使用4英寸線(xiàn)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(jià)格,。