感谢原创作者：曹乐、樊尚春、邢维巍

引言

压力传感器作为一种传统测量仪器，在工业控制系统中得到了广泛的应用，涉及水利水电、铁路交通、航空航天、石油化工、电力、船舶等领域。近几十年，随着MEMS技术发展及其加工工艺的提高，基于MEMS技术的压力传感器得到了较大发展，国内外多家研究机构积极开展工作，从结构设计、新材料应用、新检测方式等方面开展了大量研究工作，并及时将研究成果产品化，带来巨大的经济效益和社会效益，大大推动了信息工业化的进程。随着工程应用对于压力测量精度、体积、成本等要求的提高，市场上不断出现基于新敏感结构、新检测方法的MEMS压力传感器，并开始向集成化、智能化方向、网络化方向发展。

1 MEMS压力传感器原理

MEMS压力传感器由于应用广泛，相对发展更快，绝大多数的MEMS压力传感器的感压元件是硅膜片，根据敏感机理的不同，可将MEMS压力传感器分为三种：压阻式压力传感器、电容式压力传感器和谐振式压力传感器，如图1所示。图1（a）表示的是MEMS压阻式压力传感器，压敏电阻扩散在硅膜片上，并连成惠斯顿电桥，当被测压力作用在膜片上时，膜片产生形变，引起压敏电阻阻值的变化，电桥失衡，该失衡量与被测压力成比例；图1（b）表示的是硅电容式压力传感器，淀积在膜片下表面上的金属层形成电容器的活动电极，另一电极淀积在硅衬底表面上，二者构成平行板式电容器。当膜片感受压力作用发生弯曲时，电容器的极板间距发生变化，从而引起电容量的变化，该变化量与被测压力相对应；硅谐振式压力传感器，基于膜片或梁的谐振频率随被测压力变化而改变的原理来实现压力测量，其典型结构如图1（c）所示，硅膜片或梁由静电或其它方法激励而产生谐振动，谐振频率为f 0，当膜片（梁）受被测压力直接（间接）作用时，刚度发生改变，从而导致谐振频率的变化Δf，该变化量与被测压力相对应。

2 MEMS压力传感器关键技术

MEMS压阻式压力传感器是由四只扩散在敏感结构上的高精密电阻组成惠斯顿电桥输出差动信号实现对力的敏感输出。其电路如图2所示。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。

噪声同样是影响测量准确度的重要因素。在电路设计中，不可避免地会引入噪声，常见的有白噪声、器件热噪声、空间电磁噪声，以及由于处理电路引入的噪声等。噪声水平大小与电路设计、布局、电流电压等均有关系，需要进行全面的考虑，以达到抑制噪声的目的。有效的解决途径是通过设计专门的ASIC集成芯片，同时实现低功耗的设计要求，满足在航空航天工业的特需要求。

与硅压阻式压力传感器相比，硅电容式压力传感器更能满足应用需求。其灵敏度高，可以测量从声压级到数十兆帕（MPa）量级的压力；功耗更低，可以低于硅压阻式2个数量级；长期稳定性和重复性也明显优于硅压阻式。硅电容式压力传感器信号为电容信号，需要通过复杂的信号转换电路和检测电路，大大提高了电路复杂度和设计难度。同时结构设计和电路设计过程中，容易引入杂散电容，使得测量准确度降低。在国内目前集成电路工艺条件下，可进行传感器本体与专用集成ASIC芯片的结合使用。如采用德国ACAM公司的数字化微电容测量专用集成芯片PS021，测量电容分辨力可以达到fF量级。

MEMS谐振式压力传感器是新一代数字输出传感器，其主要特点包括数字量频率输出、性能参数稳定与电路设计无关、灵敏度高以及可实现闭环自激振荡进一步提高检测准确度。因此，从原理上来讲，谐振式压力传感器是优于其他敏感机理的先进传感器。

图3给出北京航空航天大学设计一款压力传感器，其通过双梁结构采用差分方式提高检测准确度。谐振式压力传感器的谐振梁的机械品质因数是决定改传感器的性能的重要参数。对于硅谐振式压力传感器，其Q值至少应该在104以上才能确保传感器幅频特性要求，实现谐振器高选频能力，提高输出振动信号信噪比，实现稳定自激振荡，达到优异的性能指标；为了使传感器处于工作状态，必须使得谐振梁处于谐振状态，对于硅谐振式传感器，常用的激励/检测方法有静电激励/电容检测、光热激励/光学检测、电热激励/压阻检测、压电激励/压电检测和电磁激励/电磁检测等五种方式。其中，静电激励/电容检测和压电激励/压电检测应用较多。由于谐振梁频力改变量与谐振频率基频相对值较小，如何实现高分辨力检测是谐振式压力传感器需要突破的关键技术之一。

3 MEMS压力传感器应用研究

MEMS压力传感器是基于MEMS技术工艺和集成电路技术的新型压力测量仪器，其体积小、成本低、可批量生产、准确度高等特点满足了消费电子和工业工程尤其国防工业的需求。随着自动控制技术和智能软硬件技术的成熟，压力传感器也将走向智能化道路。根据IHS iSuppli公司关于MEMS传感器发展研究报告称，MEMS压力传感器到2015年销售额将达到19. 7亿美元，如图4所示，2010～2015年的复合年度增长率为100%，将成为销售额最高的微机电系统（MEMS）器件。汽车产业仍然是MEMS压力传感器的最大应用领域，占其销售额的72%，其次是医疗电子占12%，工业领域占10%，消费电子与军用航空占据其余的6%市场。

MEMS压力传感器应用较为广泛，几乎涵盖各领域。汽车行业主要应用在发动机内燃机压力检测、内胎压力检测、气囊压力检测等方面，在汽车安全方面起着举足轻重的作用；在医疗市场，压力传感器主要充当外科手术使用的一次性低成本导管，在连续气道正压通气（CPAC）机中感测压力与差流。在航天领域，MEMS压力传感器可用于航天器速度、表面压力、发动机内部压力等参数。

4总结

压力传感器作为重要的传感器，尤其MEMS压力传感器因其突出的优点，必将继续对国民经济的发展产生重大的影响。因此，必须加快MEMS压力传感器研究进程，针对MEMS压力传感器的特点和现有不足，进行设计研究，并注重科研成果向产品转化。针对MEMS压力传感器的未来发展，本文认为应该在以下几点进行重点突破：

1）新型结构的设计。结构是压力传感器设计的核心部分，其设计直接决定着传感器的性能。通过采用新型结构，增加其分辨力和灵敏度，提高测量准确度。

2）检测方法的研究。在目前的检测方法中，均会存在一定的非线性，如何有效地提高误差算法补偿，是进一步提高压力传感器性能的重要途径。

3）温度补偿技术的研究。在上述三种MEMS压力传感器中，温度因素在一定程度上都制约着其性能的进一步提高。因此，可通过新的温度补偿算法、温度不敏感结构设计等方式有效降低或者消除环境温度对MEMS压力传感器的影响。