醫療應用新突破 MEMS壓力傳感器創(chuàng )新設計

日前，一支來(lái)自新加坡一家微電子研究所ASTAR的團隊制作出一種小型的傳感器，這種傳感器將一個(gè)穩定的膜片與易傳感的硅納米線(xiàn)結合在一起，從而使得MEMS壓力傳感器可以更穩定耐用，適用于醫療器械。

原則上來(lái)講，設計一個(gè)小型的壓力傳感器是很簡(jiǎn)單的：一個(gè)壓力變形隔膜嵌入一個(gè)壓敏電阻器就可以了，這個(gè)壓敏電阻器必須是由硅納米線(xiàn)等會(huì )由壓力引起抗電阻性變化的材料制成。但事實(shí)上卻會(huì )出現問(wèn)題，包括電路設計和和脆弱的組件，任何地方出現差錯都是商用傳感器的致命傷。

由于這個(gè)隔膜必須將很小的壓力變化傳到到壓敏電阻器，同時(shí)要抵抗變形和破損，因此，這個(gè)隔膜材料的選擇就顯得至關(guān)重要。于是羅和他的同事們想到用二氧化硅來(lái)展現完美的壓力傳感性能。然而，二氧化硅雖有優(yōu)越的傳感性能，但也不能戰勝易彎曲性這個(gè)弱點(diǎn)。所以，羅將解決方案改為用雙層的二氧化硅，同時(shí)將壓阻式的硅納米線(xiàn)放在兩者中間，頂層再加一層性能穩定的氮化硅。

通過(guò)蝕刻氮化硅和變化厚度、調整硅納米線(xiàn)，這個(gè)團隊最終發(fā)現了最優(yōu)的組合。最后的傳感器成功地滿(mǎn)足了抵抗變形和機械損壞的同時(shí)仍然可以提供在壓力感應下電輸出的線(xiàn)性變化，符合高精度的醫療器械應用要求。

這個(gè)團隊的主要目標是制造出一種可植入的微型醫療設備，盡管要實(shí)現這一目標還需要依靠廣泛的電路研究和測試。

MEMS壓力傳感器解析

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械電子傳感器。

硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應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?；菟诡D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應力杯硅薄膜內壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導體應變片刻制在其表面應力最大處，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0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖3所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應力杯，其應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的電阻應變片電橋電路。當外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應力杯中，應力硅薄膜會(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。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。