感謝原創(chuàng )作者：曹樂(lè )、樊尚春、邢維巍
引言
壓力傳感器作為一種傳統測量?jì)x器，在工業(yè)控制系統中得到了廣泛的應用，涉及水利水電、鐵路交通、航空航天、石油化工、電力、船舶等領(lǐng)域。近幾十年，隨著(zhù)MEMS技術(shù)發(fā)展及其加工工藝的提高，基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器得到了較大發(fā)展，國內外多家研究機構積極開(kāi)展工作，從結構設計、新材料應用、新檢測方式等方面開(kāi)展了大量研究工作，并及時(shí)將研究成果產(chǎn)品化，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，大大推動(dòng)了信息工業(yè)化的進(jìn)程。隨著(zhù)工程應用對于壓力測量精度、體積、成本等要求的提高，市場(chǎng)上不斷出現基于新敏感結構、新檢測方法的MEMS壓力傳感器，并開(kāi)始向集成化、智能化方向、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。
1 MEMS壓力傳感器原理
MEMS壓力傳感器由于應用廣泛，相對發(fā)展更快，絕大多數的MEMS壓力傳感器的感壓元件是硅膜片，根據敏感機理的不同，可將MEMS壓力傳感器分為三種：壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和諧振式壓力傳感器，如圖1所示。圖1（a）表示的是MEMS壓阻式壓力傳感器，壓敏電阻擴散在硅膜片上，并連成惠斯頓電橋，當被測壓力作用在膜片上時(shí)，膜片產(chǎn)生形變，引起壓敏電阻阻值的變化，電橋失衡，該失衡量與被測壓力成比例；圖1（b）表示的是硅電容式壓力傳感器，淀積在膜片下表面上的金屬層形成電容器的活動(dòng)電極，另一電極淀積在硅襯底表面上，二者構成平行板式電容器。當膜片感受壓力作用發(fā)生彎曲時(shí)，電容器的極板間距發(fā)生變化，從而引起電容量的變化，該變化量與被測壓力相對應；硅諧振式壓力傳感器，基于膜片或梁的諧振頻率隨被測壓力變化而改變的原理來(lái)實(shí)現壓力測量，其典型結構如圖1（c）所示，硅膜片或梁由靜電或其它方法激勵而產(chǎn)生諧振動(dòng)，諧振頻率為f 0，當膜片（梁）受被測壓力直接（間接）作用時(shí)，剛度發(fā)生改變，從而導致諧振頻率的變化Δf，該變化量與被測壓力相對應。
2 MEMS壓力傳感器關(guān)鍵技術(shù)
MEMS壓阻式壓力傳感器是由四只擴散在敏感結構上的高精密電阻組成惠斯頓電橋輸出差動(dòng)信號實(shí)現對力的敏感輸出。其電路如圖2所示。由于硅材料對溫度較為敏感、力敏電阻的不匹配及其漏電流的影響會(huì )產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現象、導致靈敏度降低，是MEMS壓阻式壓力傳感器實(shí)用化過(guò)程中的關(guān)鍵制約因素。針對溫度影響因素，可采用硬件補償和算法補償的方式。硬件補償主要是通過(guò)增加熱敏電阻、調平電阻等方式使得惠更斯電橋在無(wú)外界壓力時(shí)輸出為零，有效抑制或者消除零點(diǎn)漂移。算法補償主要根據現有硬件條件，在對傳感器實(shí)驗基礎上，對輸出進(jìn)行二次修正，以抑制或者消除由于溫度變化產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移。常用的算法包括最小二乘法擬合直線(xiàn)補償法、曲線(xiàn)擬合補償法，以及出現了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的補償方法。
噪聲同樣是影響測量準確度的重要因素。在電路設計中，不可避免地會(huì )引入噪聲，常見(jiàn)的有白噪聲、器件熱噪聲、空間電磁噪聲，以及由于處理電路引入的噪聲等。噪聲水平大小與電路設計、布局、電流電壓等均有關(guān)系，需要進(jìn)行全面的考慮，以達到抑制噪聲的目的。有效的解決途徑是通過(guò)設計專(zhuān)門(mén)的ASIC集成芯片，同時(shí)實(shí)現低功耗的設計要求，滿(mǎn)足在航空航天工業(yè)的特需要求。
與硅壓阻式壓力傳感器相比，硅電容式壓力傳感器更能滿(mǎn)足應用需求。其靈敏度高，可以測量從聲壓級到數十兆帕（MPa）量級的壓力；功耗更低，可以低于硅壓阻式2個(gè)數量級；長(cháng)期穩定性和重復性也明顯優(yōu)于硅壓阻式。硅電容式壓力傳感器信號為電容信號，需要通過(guò)復雜的信號轉換電路和檢測電路，大大提高了電路復雜度和設計難度。同時(shí)結構設計和電路設計過(guò)程中，容易引入雜散電容，使得測量準確度降低。在國內目前集成電路工藝條件下，可進(jìn)行傳感器本體與專(zhuān)用集成ASIC芯片的結合使用。如采用德國ACAM公司的數字化微電容測量專(zhuān)用集成芯片PS021，測量電容分辨力可以達到fF量級。
MEMS諧振式壓力傳感器是新一代數字輸出傳感器，其主要特點(diǎn)包括數字量頻率輸出、性能參數穩定與電路設計無(wú)關(guān)、靈敏度高以及可實(shí)現閉環(huán)自激振蕩進(jìn)一步提高檢測準確度。因此，從原理上來(lái)講，諧振式壓力傳感器是優(yōu)于其他敏感機理的先進(jìn)傳感器。
圖3給出北京航空航天大學(xué)設計一款壓力傳感器，其通過(guò)雙梁結構采用差分方式提高檢測準確度。諧振式壓力傳感器的諧振梁的機械品質(zhì)因數是決定改傳感器的性能的重要參數。對于硅諧振式壓力傳感器，其Q值至少應該在104以上才能確保傳感器幅頻特性要求，實(shí)現諧振器高選頻能力，提高輸出振動(dòng)信號信噪比，實(shí)現穩定自激振蕩，達到優(yōu)異的性能指標；為了使傳感器處于工作狀態(tài)，必須使得諧振梁處于諧振狀態(tài)，對于硅諧振式傳感器，常用的激勵/檢測方法有靜電激勵/電容檢測、光熱激勵/光學(xué)檢測、電熱激勵/壓阻檢測、壓電激勵/壓電檢測和電磁激勵/電磁檢測等五種方式。其中，靜電激勵/電容檢測和壓電激勵/壓電檢測應用較多。由于諧振梁頻力改變量與諧振頻率基頻相對值較小，如何實(shí)現高分辨力檢測是諧振式壓力傳感器需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。
3 MEMS壓力傳感器應用研究
MEMS壓力傳感器是基于MEMS技術(shù)工藝和集成電路技術(shù)的新型壓力測量?jì)x器，其體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、準確度高等特點(diǎn)滿(mǎn)足了消費電子和工業(yè)工程尤其國防工業(yè)的需求。隨著(zhù)自動(dòng)控制技術(shù)和智能軟硬件技術(shù)的成熟，壓力傳感器也將走向智能化道路。根據IHS iSuppli公司關(guān)于MEMS傳感器發(fā)展研究報告稱(chēng)，MEMS壓力傳感器到2015年銷(xiāo)售額將達到19. 7億美元，如圖4所示，2010～2015年的復合年度增長(cháng)率為100%，將成為銷(xiāo)售額最高的微機電系統（MEMS）器件。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)仍然是MEMS壓力傳感器的最大應用領(lǐng)域，占其銷(xiāo)售額的72%，其次是醫療電子占12%，工業(yè)領(lǐng)域占10%，消費電子與軍用航空占據其余的6%市場(chǎng)。
MEMS壓力傳感器應用較為廣泛，幾乎涵蓋各領(lǐng)域。汽車(chē)行業(yè)主要應用在發(fā)動(dòng)機內燃機壓力檢測、內胎壓力檢測、氣囊壓力檢測等方面，在汽車(chē)安全方面起著(zhù)舉足輕重的作用；在醫療市場(chǎng)，壓力傳感器主要充當外科手術(shù)使用的一次性低成本導管，在連續氣道正壓通氣（CPAC）機中感測壓力與差流。在航天領(lǐng)域，MEMS壓力傳感器可用于航天器速度、表面壓力、發(fā)動(dòng)機內部壓力等參數。
4總結
壓力傳感器作為重要的傳感器，尤其MEMS壓力傳感器因其突出的優(yōu)點(diǎn)，必將繼續對國民經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。因此，必須加快MEMS壓力傳感器研究進(jìn)程，針對MEMS壓力傳感器的特點(diǎn)和現有不足，進(jìn)行設計研究，并注重科研成果向產(chǎn)品轉化。針對MEMS壓力傳感器的未來(lái)發(fā)展，本文認為應該在以下幾點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)突破：
1）新型結構的設計。結構是壓力傳感器設計的核心部分，其設計直接決定著(zhù)傳感器的性能。通過(guò)采用新型結構，增加其分辨力和靈敏度，提高測量準確度。
2）檢測方法的研究。在目前的檢測方法中，均會(huì )存在一定的非線(xiàn)性，如何有效地提高誤差算法補償，是進(jìn)一步提高壓力傳感器性能的重要途徑。
3）溫度補償技術(shù)的研究。在上述三種MEMS壓力傳感器中，溫度因素在一定程度上都制約著(zhù)其性能的進(jìn)一步提高。因此，可通過(guò)新的溫度補償算法、溫度不敏感結構設計等方式有效降低或者消除環(huán)境溫度對MEMS壓力傳感器的影響。
