講解MEM壓力傳感器原理與應(yīng)用
MEM是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù),并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。
MEM技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè),采用MEM技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEM技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè),就象近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣,MEM也正在孕育一場深刻的技術(shù)變革并對人類社會(huì)產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEM市場的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動(dòng)頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測,未來5年MEM器件的銷售額將呈迅速增長之勢,年平均增加率約為18%,因此對對機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
MEM壓力傳感器原理
目前的MEM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量電路的,具有較高的測量精度、較低的功耗和極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器,如無壓力變化,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。
MEM硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁,采用MEM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,組成惠斯頓測量電橋,作為力電變換測量電路,將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量,其測量精度能達(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是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。
講解MEM壓力傳感器原理與應(yīng)用
電容式壓力傳感器利用MEM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。
MEM壓力傳感器的應(yīng)用
MEM壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(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)配料稱重等。
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壓力傳感器
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