医疗应用新突破 MEMS压力传感器创新设计

日前，一支来自新加坡一家微电子研究所ASTAR的团队制作出一种小型的传感器，这种传感器将一个稳定的膜片与易传感的硅纳米线结合在一起，从而使得MEMS压力传感器可以更稳定耐用，适用于医疗器械。

原则上来讲，设计一个小型的压力传感器是很简单的：一个压力变形隔膜嵌入一个压敏电阻器就可以了，这个压敏电阻器必须是由硅纳米线等会由压力引起抗电阻性变化的材料制成。但事实上却会出现问题，包括电路设计和和脆弱的组件，任何地方出现差错都是商用传感器的致命伤。

由于这个隔膜必须将很小的压力变化传到到压敏电阻器，同时要抵抗变形和破损，因此，这个隔膜材料的选择就显得至关重要。于是罗和他的同事们想到用二氧化硅来展现完美的压力传感性能。然而，二氧化硅虽有优越的传感性能，但也不能战胜易弯曲性这个弱点。所以，罗将解决方案改为用双层的二氧化硅，同时将压阻式的硅纳米线放在两者中间，顶层再加一层性能稳定的氮化硅。

通过蚀刻氮化硅和变化厚度、调整硅纳米线，这个团队最终发现了最优的组合。最后的传感器成功地满足了抵抗变形和机械损坏的同时仍然可以提供在压力感应下电输出的线性变化，符合高精度的医疗器械应用要求。

这个团队的主要目标是制造出一种可植入的微型医疗设备，尽管要实现这一目标还需要依靠广泛的电路研究和测试。
MEMS压力传感器解析

MEMS压力传感器原理

目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。

硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。

MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01-0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如集成电路的硅压阻式压力传感器实物照片。

电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小，即△压力=△电容量（图5）。电容式压力传感器实物如图6。