據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Merit Sensor是MEMS壓阻式壓力傳感器及其解決方案的領(lǐng)先制造商，為Merit Medical子公司，總部位于美國猶他州南約旦。1991年，Merit Medical董事長創(chuàng)立了Sentir Semiconductor。1999年，Sentir Semiconductor與Merit Medical垂直整合，2002年，Sentir Semiconductor更名為Merit Sensor。Merit Medical建有4英寸MEMS晶圓制造廠，占地40,000平方英尺，實際使用面積15,000平方英尺，基于成熟的MEMS制造工藝平臺，有助于其壓力傳感器的大批量生產(chǎn)，尤其是苛刻環(huán)境下應(yīng)用的壓力傳感器。近日，傳感器領(lǐng)域知名媒體AZoSensors采訪了Merit Sensor工程經(jīng)理Scott Sidwell，雙方討論了MEMS壓阻式壓力傳感器、硅基傳感芯片，以及這些傳感器在一系列行業(yè)中的應(yīng)用。

Q：請您簡單介紹一下壓力傳感器及其對各行各業(yè)的意義。

Scott Sidwell：壓力傳感器是一種重要元器件，在各行各業(yè)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。最近的市場研究表明，壓力傳感器及模組市場預(yù)計將呈現(xiàn)顯著增長趨勢，到2028年市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到近245億美元。

壓力傳感器在汽車、工業(yè)自動化和過程控制、潛水和電動自行車等消費產(chǎn)品，以及重要的醫(yī)療領(lǐng)域都有應(yīng)用。

壓力傳感器是一種感受壓力信號，并能按照一定規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用輸出電信號的器件或裝置。以常見的注射器為例，在施加相同推力的情況下，較小的注射器會比較大的注射器產(chǎn)生更大的壓強(qiáng)。在處理壓力傳感器時，理解這一概念至關(guān)重要。

Q：大氣壓是我們經(jīng)常聽到的一個術(shù)語。您能解釋一下它是什么以及它與壓力傳感器的相關(guān)性嗎？

Scott Sidwell：大氣壓力本質(zhì)上是空氣壓在我們身上的“重量”。當(dāng)我們乘坐飛機(jī)或航天器上升時，空氣的密度會降低，氧氣等氣體分子也會減少。在測量應(yīng)用中的壓力時，考慮大氣壓力很重要，因為這將決定所需壓力傳感器的類型。

Q：除了汽車行業(yè)，還有哪些主要應(yīng)用從壓力傳感器受益，它們是如何使用的？

Scott Sidwell：壓力傳感器的應(yīng)用很廣泛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其在汽車行業(yè)的傳統(tǒng)用途。例如，潛水是壓力傳感器發(fā)揮關(guān)鍵作用的行業(yè)之一。在這個領(lǐng)域，壓力傳感器被用來監(jiān)測潛水員在水下的深度，使他們能夠準(zhǔn)確地計算上升和下降時間。充滿危險的水下環(huán)境需要可靠的壓力測量，以確保潛水員的安全。

此外，壓力傳感器早已進(jìn)入消費產(chǎn)品市場。例如，在自行車領(lǐng)域，特別是新興的電動自行車領(lǐng)域，壓力傳感器被集成到多種組件中。這些壓力傳感器可用于自行車減震器、輪胎以及其它關(guān)鍵部件，以增強(qiáng)整體性能和用戶體驗。

Q：壓阻式壓力傳感器的工作原理是什么，有哪些典型應(yīng)用？

Scott Sidwell：Merit Sensor設(shè)計并制造MEMS壓阻式壓力傳感器，用于精確、可靠的壓力測量。壓阻式壓力傳感器是壓力傳感器中的一種子類型，以其多功能性和廣泛用途而聞名。壓阻式傳感器的工作原理涉及摻雜的半導(dǎo)體硅晶體，這使其相比其它技術(shù)的壓力測量可重復(fù)性更好。

壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用不局限于單一領(lǐng)域，它們被用于多個行業(yè)，包括醫(yī)療行業(yè)。在血管成形術(shù)等外科手術(shù)中，壓力傳感器起著至關(guān)重要的作用。在這些手術(shù)中，壓力傳感器的輸出有助于外科醫(yī)生監(jiān)測球囊內(nèi)的充氣水平，評估手術(shù)的整體狀態(tài)。

Q：您能解釋一下什么是MEMS技術(shù)及其在壓力傳感器領(lǐng)域的優(yōu)勢嗎？

Scott Sidwell：MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electrical-Mechanical Systems）的簡稱，MEMS器件的類型很多。MEMS壓力傳感器大多采用沉積、離子注入和擴(kuò)散等半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)工藝，還有光刻和蝕刻工藝。MEMS壓力傳感器采用彈性硅膜片，這意味著它們沒有遲滯和蠕變。

這種彈性對傳感器有利，因為這使得傳感器可以經(jīng)歷重復(fù)的壓力循環(huán)而不改變其特性。當(dāng)傳感器隨時間推移發(fā)生蠕變或其它變化時，幾乎總是由它們的封裝方式?jīng)Q定的，而不一定是硅芯片本身的問題。采用半導(dǎo)體工藝，在一塊晶圓上制造數(shù)千個壓力傳感器還大大有助于降低器件的成本。

Merit Sensor在美國猶他州設(shè)有MEMS晶圓廠。和我們這樣擁有MEMS晶圓廠的供應(yīng)商合作有很多好處。當(dāng)涉及到新產(chǎn)品開發(fā)時，擁有自己的MEMS晶圓廠是一個巨大的優(yōu)勢，因為這可以使我們更好地控制供應(yīng)鏈。保持內(nèi)部設(shè)計與制造通常被認(rèn)為是MEMS產(chǎn)品成功開發(fā)和推出的關(guān)鍵。

Q：請給我們簡單普及一下MEMS壓力傳感器。

Scott Sidwell：MEMS壓力傳感器的關(guān)鍵設(shè)計是惠斯通電橋，由硅蝕刻隔膜上的一組四個電阻器組成。當(dāng)壓力施加到隔膜時，電阻器會受到應(yīng)力，從而改變它們的阻值。該電橋輸出的變化對應(yīng)于施加壓力的變化。當(dāng)客戶需要更高的壓力范圍時，傳感器需要更厚的隔膜來處理增加的壓力。相反，對于低壓測量，薄隔膜就可以滿足要求。

我們的MEMS硅芯片完成制造之后，會被鍵合到玻璃上。該玻璃上可以有一個開孔，為各種壓力應(yīng)用提供通風(fēng)口，也可以在沒有孔的情況下密封。在后一種情況下，玻璃和硅芯片會在真空中鍵合在一起。

該玻璃上沒有孔的，被稱為絕壓傳感器，硅芯片和玻璃之間的空間代表絕對零壓力。

由MEMS芯片制成的絕壓傳感器有兩種類型。傳統(tǒng)類型的背面玻璃上沒有孔，為絕對壓力創(chuàng)造了一個密封的真空對照。然而，這種設(shè)計被測量介質(zhì)與壓力傳感器芯片頂部的有源電子元件接觸，需要對頂部的電路進(jìn)行保護(hù)，以防止潮濕或濕氣引起的腐蝕和短路。

或者，還有一種背壓式絕壓傳感器。在這種設(shè)計中，將一塊玻璃添加到硅的頂部，在頂部形成密封的真空對照，使MEMS芯片的背面受壓。這種類型通常用于汽車和高溫應(yīng)用，以及液體壓力測量。

Q：為什么壓力傳感器的封裝很重要？

Scott Sidwell：壓力傳感器經(jīng)常暴露在惡劣的流體中，例如氣體、油、制冷劑和其它腐蝕性溶劑，如果傳感器封裝不當(dāng)，這些流體可能會損壞傳感器的電路。損壞的壓力傳感器會導(dǎo)致傳感錯誤，并最終導(dǎo)致產(chǎn)品召回和安全風(fēng)險。

舉例來說，不銹鋼是一種很好的襯底材料，但它的熱膨脹系數(shù)（TCE）遠(yuǎn)高于制造MEMS芯片的硅材料。換言之，不銹鋼的膨脹和收縮比硅大得多，這些差異導(dǎo)致基于不銹鋼的MEMS傳感元件會像感受到實際壓力一樣做出響應(yīng)，從而引入更多的傳感誤差。此外，還必須考量介質(zhì)、鍵合壓力、濕度等因素。

Q：請進(jìn)一步介紹零偏、非線性和滯后等誤差因素。

Scott Sidwell：零偏壓力是室溫下的零壓測量值。壓力非線性是指傳感器輸出從零壓力到滿刻度壓力的輸出特性曲線與擬合直線的偏離程度。滯后反映了施加壓力到釋放壓力時初始零點和返回零點之間的差異。MEMS傳感芯片設(shè)計正是旨在最大限度地減少這些誤差源。

Q：電阻溫度系數(shù)（TCR）和靈敏度溫度系數(shù)（TCS）等溫度相關(guān)因素，如何影響壓力傳感器的輸出？

Scott Sidwell：在理想設(shè)置中，惠斯通電橋所有電阻器都將完美匹配并且完全不受溫度影響。然而，實際上，每個電阻器的電阻值之間存在差異。此外，溫度也會改變電阻值。由溫度引起的電阻值和整個電橋輸出的變化稱為TCR。許多應(yīng)用都需要獨立于溫度工作的壓力傳感器。此類應(yīng)用需要補(bǔ)償壓力傳感器的TCR。

TCR補(bǔ)償可以通過兩種通用方法完成，包括被動和主動。被動補(bǔ)償，通過在制造過程中微調(diào)電阻器來完成，它適用于傳感器會經(jīng)歷微小溫度變化的環(huán)境。被動補(bǔ)償必須測量每個電橋電阻器的值以確定補(bǔ)償電阻器所需的值。在主動補(bǔ)償中，模擬電路、微控制器或信號調(diào)節(jié)器記錄各種壓力和溫度條件下的電橋輸出，并相應(yīng)地調(diào)整傳感器輸出。

TCS是重要的考量因素，尤其是在寬工作溫度范圍的應(yīng)用中。TCS總是小于零，當(dāng)使用MEMS壓阻式壓力傳感器時，靈敏度或量程會隨著溫度的升高而降低。

Q：請您解釋一下壓力傳感器精度的重要性，以及如何實現(xiàn)這一點。

Scott Sidwell：壓力傳感器的精度通常以總誤差帶來測量，其中包括與溫度和壓力相關(guān)的誤差。實現(xiàn)精度需要校準(zhǔn)，帶有板載ASIC的完全補(bǔ)償傳感器簡化了這一過程，并提供了更高的精度。精度至關(guān)重要，尤其對于精確測量至關(guān)重要的應(yīng)用。

Q：應(yīng)力和其它外部影響如何影響壓力傳感器？

Scott Sidwell：我們非常自豪能夠理解并表征客戶無法補(bǔ)償?shù)恼`差源：熱滯后和長期穩(wěn)定性。我們的客戶最不希望看到的，就是他們手中的壓力傳感器可能由于長期穩(wěn)定性問題而造成的故障。

需要注意的是，我們的MEMS器件也是一種良好的應(yīng)力傳感器。例如，MEMS元件上的扭矩或彎曲力矩將改變惠斯通電橋的輸出。在封裝和組裝過程中可能會產(chǎn)生應(yīng)力，從而影響傳感器性能。隨著時間的推移，與封裝相關(guān)的應(yīng)力會自行緩解并恢復(fù)平衡。這種應(yīng)力消除將表現(xiàn)為壓力傳感器偏移的變化，也即零偏漂移和長期穩(wěn)定性。精心處理和封裝對于保持傳感器穩(wěn)定性至關(guān)重要。

Q：MEMS芯片如何滿足廣泛的應(yīng)用（包括特種和通用應(yīng)用），客戶在選擇壓力傳感器時應(yīng)考量哪些因素？

Scott Sidwell：MEMS芯片在壓力換能器或壓力變送器應(yīng)用中很常見，其通常位于傳感模組的頭部。傳感頭焊接在帶有不銹鋼隔膜的不銹鋼外殼中。不銹鋼是一個很好的封裝材料選擇，因為它對各種介質(zhì)非常友好，而且大多數(shù)人都非常熟悉不銹鋼的特性。這種封裝適用于許多工業(yè)應(yīng)用。

將不銹鋼隔膜和封裝焊接在一起后，將硅油回填進(jìn)入外殼。清潔的硅油圍繞MEMS芯片，在不銹鋼隔膜和MEMS元件的硅隔膜之間傳遞壓力。

在暖通空調(diào)（HVAC）行業(yè)，壓力傳感器是HVAC系統(tǒng)技術(shù)中最重要的組件之一，用于監(jiān)控系統(tǒng)性能、檢查壓縮機(jī)狀況以及監(jiān)控管道以測試通過通風(fēng)系統(tǒng)的氣流。MEMS芯片可以單獨采購，也可以封裝到我們的LP系列中并安裝在控制板上。這些控制板在大型建筑中，要么位于靠近進(jìn)氣口的建筑頂部，要么位于熱交換器和氣流系統(tǒng)所在的建筑雜物間中。

另一個常見的應(yīng)用是交通運(yùn)輸行業(yè)。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種類型的汽車中。隨著立法推動對更高效率和更清潔排放的需求，全球每年的電動汽車銷量幾乎呈指數(shù)級增長，壓力傳感器在該領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。

審核編輯：黃飛

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