硅微型压力传感器微机械加工原理与汽车医疗应用

硅微型压力传感器微机械加工原理，说白了就是拿做集成电路那套工艺，在一片硅片上把压力膜片、腔体和电桥一起做出来。这样做出来的芯片体积小、重量轻、没有活动部件，可靠性高，而且一片硅片上能一次做出成百上千个，成本自然就下来了。汽车和医疗这两个行业能吃下它，靠的就是这份"便宜又皮实"。

硅微型压力传感器微机械加工原理：从硅片到膜片要走几道工序

整条线走下来，核心就五步，全在洁净间里完成。第一步备硅片，常用 4 到 8 英寸的单晶硅片。第二步光刻：涂光刻胶、曝光、显影，把图形从掩膜版转移到硅片表面，这一步决定后面图形的尺寸精度。

第三步刻蚀，也是最见功夫的一步。湿法各向异性刻蚀会用到 KOH 或 TMAH 这类腐蚀液，温度通常控在六七十到九十摄氏度。它妙在硅的不同晶面腐蚀速率不一样：<100> 面刻得快，<111> 面刻得慢，自然就刻出一个带斜壁的方腔或 V 型槽。要刻又深又直的槽，就上干法刻蚀。

第四步键合。把刻好腔的硅片和玻璃片贴在一起，加几百伏电压、升到三百多摄氏度，靠阳极键合把它们封成一个密封的参考腔。第五步在膜片上做电桥：膜片边缘是应力集中的地方，在那儿做四个压阻电阻，接成惠斯通电桥，压力一压膜片，桥路就出信号。

膜片厚度是这里的关键数：一般在几微米到几十微米之间。厚度定得越薄，同样的压力下膜片弯得越多、信号越大，量程也就越小；反过来想做高量程，膜片就得厚一些。具体厚度和量程怎么配，以厂家样本为准。

两条技术路线：压阻式和电容式

硅压力传感器基本分两类，原理不一样，用场也不一样。压阻式靠的是硅受压力后电阻会变这个特性；电容式则是把膜片本身当成电容的一块极板，压力把膜片压得位移一点，电容量跟着变，电路读出这个变化换算成压力。

工业现场碰到的大多是压阻式，因为它灵敏、后面好处理。但芯片只是一半，另外一半在封装。

汽车和医疗各用在哪儿

这两种传感器能把体积和成本一起压下来，所以在汽车里铺得很快：刹车系统压力、胎压、气囊压力、发动机机油压力、进气歧管压力、燃油喷射压力，都能见到它的位置。医疗那边最大的用场是血压监护仪，另外还有子宫压力监测、输液流速监测这一类。

封装这一步，决定它能不能在你现场活下来

同一套压阻硅芯体，加上不同的外壳、膜片和信号调理，就能做成工业用的压力变送器。所以选型别只盯着芯片看，要看整只表是怎么包的。

三件事对着工况定：介质腐蚀性强，上隔离膜片，中间灌充硅油或氟油，别让介质直接碰到硅；温度高，加冷凝圈或者水冷结构，把芯体实际感受到的温度压下来；现场电磁干扰重，输出选 4~20mA 这类电流信号，比毫伏级的电压信号抗干扰得多。芯片原理定了灵敏度和精度的上限，外壳和信号决定它能不能活下去。

现场踩过的三个坑

第一个是零点偏。同一批出厂好好的变送器，装到现场有几支零点跑偏。查下来不是芯片质量问题，是装配应力：拧得太紧，或者密封圈压缩量过大，壳体的应力传到了硅芯体上，把电桥给压偏了。处理办法：按厂家推荐的扭矩装，管接头别硬掰，避免壳体受扭受弯。

第二个是温度一上来读数就飘。硅压阻桥路的灵敏度本身随温度变，如果后级调理没做温度补偿，天热天冷读数会来回走。处理办法：选带温度补偿的型号，或者让厂家给出补偿曲线，在软件里修。

第三个是膜片穿孔。测腐蚀性介质，几个月膜片就被啃穿了。原因是介质直接接触硅膜片。处理办法：换隔膜式结构，让隔离膜片挡在前面，芯体只感受灌充液传过来的压力。

常见问题

问：电容式和压阻式怎么分？
答：一种把膜片当成电容的一块板，压力一上来膜片挪那么一点，电容量跟着变。另一种靠硅受压后阻值会变，把四个硅应变片接成惠斯通电桥，从桥的输出上把压力读出来。

问：工业现场更常用哪一种？
答：压阻式。这种芯体灵敏、后面信号也好处理，工业上用它最多。但光有硅芯体不成，外头还得配上壳体、膜片和调理电路这一整套，才能凑成一台在现场用得住的变送器。

问：微机械加工到底做了哪几件事？
答：主要就五件：备硅片、光刻显影转移图形、各向异性刻蚀出方腔、键合把腔封起来，最后在膜片上做电桥。膜片厚度在几微米到几十微米之间，薄一点灵敏度高、量程小，厚一点正好反过来。

问：汽车上哪些位置会用到它？
答：刹车、胎压、气囊、发动机机油、进气歧管、燃油喷射这几处压力，都能见到它。出了汽车，医疗那边血压监护仪是最大的用场，另外还有子宫压力监测、输液流速监测这些。

问：工业选型为什么不能只看芯片？
答：芯片只决定灵敏度和精度能到多高，真正决定它能不能在你那条线上活下来的是外头的封装。介质腐蚀厉害就用隔离膜片，温度高就加冷凝或水冷，现场干扰重，输出就挑 4~20mA 的。