了解 MEMS 压阻压力传感器的用途和功能

在本次采访中，AZoSensors 与 Merit Sensor Systems 的工程经理 Scott Sidwell 讨论了 MEMS 压阻压力传感器、硅芯片以及这些传感器如何在各个行业中使用。

您能为我们提供一些有关压力传感器的背景信息及其在各个行业中的重要性吗？

压力传感器是重要部件，在各个行业中发挥着至关重要的作用。最近的研究表明，压力传感器市场预计将出现显着增长，预计到 24.5 年将达到近 2028 亿美元。

它们在汽车、工业自动化和过程控制、潜水、电动自行车等消费产品以及重要的医疗领域都有应用。

压力传感器的工作原理是流体的力除以面积。为了更好地理解这一点，请考虑注射器——在施加相同的力的情况下，较小的注射器可以比较大的注射器产生更大的压力。在处理压力传感器时，理解这个概念至关重要。

大气压是我们经常听到的一个术语。您能解释一下它是什么以及它与压力传感器的相关性吗？

大气压力本质上是空气压在我们身上的重量。当您乘坐飞机或宇宙飞船上升时，空气的密度会降低，分子和氧气也会减少。在测量应用中的压力时，考虑大气压力非常重要，因为它将决定所需压力传感器的类型。

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除了汽车行业之外，还有哪些其他应用可以从压力传感器中受益？它们是如何使用的？

压力传感器广泛应用于各个行业，远远超出了汽车行业的传统用途。压力传感器发挥关键作用的行业之一是潜水行业。在该领域，压力传感器用于监测潜水员的水下深度，使他们能够准确计算上升和下降时间。恶劣的水下环境需要可靠的压力测量以确保潜水员的安全。

压力传感器已进入消费产品市场。例如，在自行车领域，尤其是新兴的电动自行车领域，压力传感器被集成到各种组件中。这些传感器可用于自行车减震器、轮胎和其他关键部件，以增强整体性能和用户体验。

压阻式压力传感器有哪些典型应用及其工作原理？

压阻式压力传感器是压力传感器的一个子类型，以其多功能性和在各种应用中的使用而闻名。压阻传感器的工作原理涉及掺杂的半导体硅晶体，这使得它们能够比其他技术更可重复地测量压力。

为了了解其典型应用，值得强调的是压阻压力传感器并不局限于单一领域。它们被用于多种行业，包括医疗行业。在血管成形术等医疗手术中，外科医生在动脉内给气球充气，压力传感器起着至关重要的作用。在这些手术中，压力传感器的输出有助于外科医生监测球囊内的充气水平，并评估手术的整体状态。

您能解释一下什么是 MEMS 技术及其在压力传感器方面的优势吗？

MEMS 代表微机电系统，MEMS 有许多不同类型。沉积、离子注入和扩散步骤都是半导体制造以及 MEMS 压力传感器的光刻和蚀刻的基础。 MEMS 压力传感器采用弹性硅膜片，这意味着它们不会出现迟滞和蠕变。

这种弹性对传感器有利，因为它允许传感器经历重复的压力循环而不改变其特性。当事情发生变化时，几乎总是由它们的封装方式造成的，而不一定是硅芯片本身。将数千个压力传感器放置在一块晶圆上也有助于显着降低成本。

Merit Sensor 在犹他州设有晶圆厂。与拥有晶圆厂的供应商合作有很多优势。在开发新产品时，拥有晶圆厂是一个巨大的优势，因为它可以让您控制供应链。将设计保持在内部通常被认为是成功开发和推出任何产品的关键。

您能给我们介绍一下MEMS压力传感器的基本了解吗？

MEMS 压力传感器的关键设计特征是扩散到硅膜片中的惠斯通电桥。该电桥输出的变化对应于施加压力的变化。当客户需要更高的压力范围时，传感器需要更厚的隔膜来处理增加的压力。相反，为了测量低压，例如几英寸水柱或低帕斯卡，薄隔膜就足够了。

制造过程结束后，硅被粘合到一块玻璃上。玻璃可以有一个孔，以形成用于各种压力应用的通风口，或者可以在没有孔的情况下进行密封。在后一种情况下，玻璃和硅在真空中粘合在一起。

当玻璃上没有孔时，它被称为绝对传感器，因为硅和玻璃之间的空间代表零绝对压力。

由 MEMS 芯片制成的绝对传感器有两种类型。传统类型的后玻璃上没有孔，可形成绝对压力的密封真空参考。然而，这种设计需要对顶侧的电路进行保护，以防止因潮湿或湿气而腐蚀和短路。

或者，还有带背面压力的绝对传感器。在此设计中，硅顶部添加了一块玻璃，在顶部形成密封真空参考，并允许 MEMS 元件承受背面压力。这种类型通常用于汽车和高温应用以及液体。

您能告诉我们更多关于偏置压力和其他因素（例如压力非线性和滞后）的信息吗？

偏置压力是室温下的零压力测量。压力非线性测量传感器输出从零压力到满量程压力的线性或非线性程度，滞后反映了施加压力然后释放压力时初始零和返回零之间的差异。 MEMS 传感元件旨在最大限度地减少这些误差源。

温度相关因素（例如 TCR 和 TCS）如何影响压力传感器的行为？

可以将电阻温度系数 TCR 与压力传感结合使用来确定温度，因为 TCR 随温度变化很大。量程/灵敏度的温度系数（TCS）是需要考虑的重要因素，特别是在宽工作温度范围的应用中。 TCS为负值，当使用MEMS压阻式压力传感器时，灵敏度或量程随着温度升高而降低。

您能否解释一下压力传感器精度的重要性以及如何实现这一点？

压力传感器的精度通常以总误差带来测量，其中包括与温度和压力相关的误差。实现精度涉及校准，而带有板载 ASIC 的完全补偿传感器简化了这一过程并提供更高的精度。准确性至关重要，尤其是在精确测量至关重要的应用中。

压力和其他外部影响如何影响压力传感器？

我们非常自豪能够理解和描述客户无法补偿的误差源：热滞和长期稳定性。我们的客户最不想看到的就是他们手中的零件出现故障，这可能是由于长期稳定性问题而发生的。

重要的是要记住，MEMS 传感元件也是一个很好的应力传感器。例如，MEMS 元件上的扭矩或弯矩将改变惠斯通电桥的输出。封装和组装过程中可能会产生应力，从而影响传感器性能。随着时间的推移，任何与包装相关的压力都会自行缓解并恢复平衡。这种应力消除将表现为传感器偏移的变化，换句话说，偏移漂移和长期稳定性。小心处理和包装对于保持传感器稳定性至关重要。