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　　硅基力敏傳感器是指以硅（單晶或多晶）材料為基礎(chǔ)，利用MEMS工藝，其特性參數(shù)受外力或應(yīng)力變化而明顯變化的敏感元件制成的傳感器。這里的力包括重力、拉力、壓力、力矩、壓強(qiáng)等物理量。力敏傳感器包括力傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器、液位傳感器等。

　　硅基力敏傳感器是工業(yè)上應(yīng)用最多、最廣的傳感器之一，其技術(shù)水平、產(chǎn)品水平、應(yīng)用水平、產(chǎn)業(yè)化水平受到業(yè)界的極大重視和關(guān)注，它代表著力敏傳感器發(fā)展的趨勢和方向。
 

圖1、硅電容壓力傳感器產(chǎn)品

　　硅壓阻壓力傳感器

　　硅壓阻壓力傳感器是采用硅壓阻原理，利用單晶硅良好的機(jī)械性能和電學(xué)性能，通過擴(kuò)散或離子注入工藝將對壓力敏感的電阻注入到感壓薄膜中，實現(xiàn)感壓元件和轉(zhuǎn)換電路的集成而制作的傳感器。其特性評價如下：

　　線性好 硅壓阻壓力傳感器，輸入和輸出之間存在著良好的線性關(guān)系，由于硅壓阻壓力傳感器通常有四個力敏電阻組成全橋式的惠斯登橋路，四個電阻雖都受到橫向壓力，且有相似的非線性特性，但構(gòu)成全橋時，非線性特性可相互抵消，因此非線性可以做得很小。

　　制作工藝兼容 該傳感器制作工藝相對簡單，且MEMS工藝與IC工藝兼融，成本相對較低。

　　通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，可提高性能 利用芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計，其靈敏度可以做得很高，實現(xiàn)微、低壓力的測量。利用“雙島結(jié)構(gòu)”可實現(xiàn)10Ka的硅微壓傳感器，利用“梁膜結(jié)構(gòu)”可實現(xiàn)1Ka的硅微微壓傳感器。利用硅壓阻壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)隔離膜片充液封裝，提高硅壓阻壓力傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。

　　工藝成熟 硅壓阻壓力傳感器制作工藝成熟，生產(chǎn)廠家通常提供恒流、恒壓供電的溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

　　缺點(diǎn) 從原理上講，硅壓阻壓力傳感器是以硅材料為基礎(chǔ)的物性型傳感器，硅材料受環(huán)境溫度影響較大，會產(chǎn)生很大的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移，且形式多樣，對提高器件的穩(wěn)定性很不利，同時硅壓阻壓力傳感器必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則工業(yè)上很難應(yīng)用；建立一套完整的溫度補(bǔ)償技術(shù)，不僅增加成本，同時也增加了人力資源，從某種意義上來說，極大地限制了硅壓阻壓力傳感器的廣泛應(yīng)用。硅壓阻壓力傳感器的典型技術(shù)參數(shù)如表1所示。
 

　　表1、硅壓阻壓力傳感器的典型技術(shù)參數(shù)
　　注：準(zhǔn)確度包括遲滯、重復(fù)性和非線性（最小二乘法）；
　　沒有其它說明，所有測試值均相對25℃，1mA恒流；
　　零點(diǎn)溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)均為補(bǔ)償溫度后指標(biāo)。

　　電容壓力傳感器是以硅材料為基礎(chǔ)，采用電容原理，即利用電容極間距變化將壓力轉(zhuǎn)換為電容變化，由MEMS工藝制作的傳感器。硅電容壓力傳感器特性評價如下：

　　穩(wěn)定性好 硅電容傳感器是一種結(jié)構(gòu)型傳感器，就檢測原理而言，其穩(wěn)定性優(yōu)于物性型傳感器，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度保證了該類傳感器的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)工藝采用全硬封固態(tài)工藝，硅-玻璃-金屬導(dǎo)壓管采用靜電封接，減少了用膠封等引起的應(yīng)力、滯遲和變差；電容對溫度不靈敏，溫度附加誤差小，不需象硅壓阻器件那樣進(jìn)行復(fù)雜的溫度補(bǔ)償。穩(wěn)定性好是硅電容傳感器深受用戶好感的主要原因之一。

　　指標(biāo)先進(jìn) 電容傳感器本身具有小功率、高阻抗、靜電引力小、可動質(zhì)量小、發(fā)熱影響小的特點(diǎn)，并可進(jìn)行非接觸測量。硅電容傳感器綜合性能指標(biāo)如非線性、過載、靜壓、可靠性等性能優(yōu)于硅壓阻傳感器、陶瓷電容傳感器、金屬膜片電容傳感器。它與硅諧振傳感器相當(dāng)，特別是用戶追求的非線性指標(biāo)，通常硅電容傳感器的非線性優(yōu)于0.05％FS的成品率大于60％。

　　適合批量生產(chǎn)，成本低 硅電容傳感器利用MEMS工藝制作，芯片尺寸為3mm×3mm，一個4寸硅片可制作幾百個元件。產(chǎn)品的工藝性好，性能一致，適合批量生產(chǎn)，低成本運(yùn)行。其制備工藝與IC工藝兼容，工藝裝備無須象硅諧振傳感器的工藝裝備那樣昂貴和復(fù)雜，也無須象金屬膜片電容傳感器那樣單件制作，保證了硅電容傳感器具有高的性能價格比。

　　主要問題 因其檢測原理是采用電容極間距變化，而這種極間距變化本身是非線性的，為了改善非線性，開發(fā)出較為復(fù)雜的芯體結(jié)構(gòu)，如接觸式、變面積與變極距相串聯(lián)等結(jié)構(gòu)。另一個問題是要解決微弱電容信號的檢測問題。

硅電容壓力傳感器的典型技術(shù)指標(biāo)如表2所示。
表2、硅電容壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)

　　硅諧振壓力傳感器

　　硅諧振壓力傳感器是以單晶硅為基礎(chǔ)材料，采用諧振原理即諧振梁的固有頻率隨施加軸向力的改變而變化，用MEMS工藝制作的傳感器。硅諧振傳感器的性能主要處決于諧振梁的品質(zhì)因素和量規(guī)因素。機(jī)械品質(zhì)因素反映諧振梁振動過程中能量損失情況，而量規(guī)因素則反映了諧振梁在特定固有頻率點(diǎn)對壓力的敏感程度。一般是將諧振梁密封在真空中來提高品質(zhì)因素，而通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來提高量規(guī)因素。以下是對硅諧振傳感器的特性評價：

　　輸出信號為數(shù)字量，無須經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可方便地與微機(jī)接口 這是由于硅諧振傳感器在單晶硅芯片表面上采用MEMS技術(shù)，在中心和邊緣做成兩個形狀、大小完全一致的H型諧振梁，且處于真空腔中，既不與充灌液接觸，又確保振動時不受空氣阻尼影響。諧振梁分別將壓力、差壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，這樣傳感器直接輸出頻率信號，簡化與數(shù)字系統(tǒng)接口。

　　靜壓影響可忽略不計 當(dāng)加有靜壓（工作壓力）時，兩形狀、尺寸、材質(zhì)完全一致的諧振梁形變相同，頻率變化也一致，由靜壓引起的偏差自動抵消。

　　測量精度高，穩(wěn)定性好 硅諧振壓力傳感器的測量精度和穩(wěn)定性主要取決于測量原理、結(jié)構(gòu)機(jī)械特性、制備工藝、所用材質(zhì)等因素，由于硅諧振壓力傳感器在膜盒組件內(nèi)設(shè)置了特性修正存儲器，存儲了傳感器的環(huán)境溫度、輸入輸出特性、靜壓等數(shù)據(jù)，對每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)可進(jìn)行修正補(bǔ)償，因而獲得高的精度和穩(wěn)定性。

　　單向過壓特性優(yōu)異 由于隔離膜片和膜盒本體采用獨(dú)特的波紋加工技術(shù)，當(dāng)單向壓力增大到一定數(shù)值時，隔離膜片與本體完全接觸，起到保護(hù)作用。

　　存在的問題 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，成本高，從性能價格比看，并非最優(yōu)。在應(yīng)用硅諧振傳感器時，為實現(xiàn)閉環(huán)自激振蕩，應(yīng)先解決檢測敏感元件微弱信號的檢測問題，采用“組合敏感”原理，可較好解決這一問題，但線路較為復(fù)雜。

硅諧振壓力傳感器的典型指標(biāo)如表3所示（參考）。
表3、硅諧振壓力傳感器典型指標(biāo)（參考）

　　上述介紹了三種典型的硅基力敏傳感器，采用這些傳感器生產(chǎn)的變送器，目前國內(nèi)均在批量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于自控領(lǐng)域。變送器的特性與采用的傳感器的特性有很大關(guān)系。(end)

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