MEMS硅压阻式压力传感器具有什么特点性能？它的结构原理是什么？

在生活的各个领域中压力都是一个关键参数。压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。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，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。

MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，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下，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，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。

由于硅材料对温度较为敏感、力敏电阻的不匹配及其漏电流的影响会产生零点漂移现象、导致灵敏度降低，是MEMS 压阻式压力传感器实用化过程中的关键制约因素。针对温度影响因素，可采用硬件补偿和算法补偿的方式。硬件补偿主要是通过增加热敏电阻、调平电阻等方式使得惠更斯电桥在无外界压力时输出为零，有效抑制或者消除零点漂移。算法补偿主要根据现有硬件条件，在对传感器实验基础上，对输出进行二次修正，以抑制或者消除由于温度变化产生的零点漂移。常用的算法包括最小二乘法拟合直线补偿法、曲线拟合补偿法，以及出现了基于神经网络的补偿方法。

硅压阻式压力传感器都由3个基本部分组成(图2)：①基体，直接承受被测应力;②波纹膜片，将被测应力传递到芯片;③芯片，检测被测应力。芯片是在硅弹性膜片上，用半导体制造技术在确定晶向制作相同的4个感压电阻，将他们连成惠斯通电桥构成了基本的压力敏感元件。

膜片即是力敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体，所以是压力传感元件的核心部分。在硅膜片上的背面要用机械或化学腐蚀的方法加工成中间很薄的凹状，称为硅杯，在它的正面制作压阻全桥。如果硅杯是圆形的凹坑，就称为圆形膜片。膜片还有方形、矩形等多种形式。当存在外加应力时，膜片上各处受到的应力是不同的。4个桥臂电阻在模板上的位置与方向设置要根据晶向和应力来决定。

膜片的设计和制作决定了传感器的性能及量程。举例一种充油封装结构，在传感器的波纹膜片及芯片之间填充了硅油，这种结构的压力传感器已相当成熟。量程为0～100kPa至0～60MPa，工作温度为-55℃～125℃，精度为0.5%～0.1%;能够实现表压、绝压测量。

压力科普：

压力传感器的类型

一般来说，工业应用中最常用的压力传感器有三种：表压、绝压和差压。

表压

表压参考大气压或环境压力的测量值，通常为 14.7 PSI 或 1013.25 mb。“正”压力是高于环境的压力，“负”压力是低于环境的压力。表压在长时间测量压力的应用中最有用，几乎不需要额外校准。

绝对压力

这种类型的压力是在绝对真空下测量的。完全真空的绝对压力为零 PSI。绝对压力传感器在必须检测低于大气压的压力的应用中非常有用。例如，高度计是一种绝对压力传感器，用于检测海平面以上或以下的高度。

差压

这种压力类型是测量压力和第二个参考压力之间的差值。参考压力可以是大气压力(表压)或可以高于或低于被测量压力的其他压力。差压传感器在测量流量时特别有用。