硅基力敏傳感器是指以硅（單晶或多晶）材料為基礎，利用MEMS工藝，其特性參數受外力或應力變化而明顯變化的敏感元件制成的傳感器。這里的力包括重力、拉力、壓力、力矩、壓強等物理量。力敏傳感器包括力傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器、液位傳感器等。

　　硅基力敏傳感器是工業上應用最多、最廣的傳感器之一，其技術水平、產品水平、應用水平、產業化水平受到業界的極大重視和關注，它代表著力敏傳感器發展的趨勢和方向。
 

圖1、硅電容壓力傳感器產品

　　硅壓阻壓力傳感器

　　硅壓阻壓力傳感器是采用硅壓阻原理，利用單晶硅良好的機械性能和電學性能，通過擴散或離子注入工藝將對壓力敏感的電阻注入到感壓薄膜中，實現感壓元件和轉換電路的集成而制作的傳感器。其特性評價如下：

　　線性好 硅壓阻壓力傳感器，輸入和輸出之間存在著良好的線性關系，由于硅壓阻壓力傳感器通常有四個力敏電阻組成全橋式的惠斯登橋路，四個電阻雖都受到橫向壓力，且有相似的非線性特性，但構成全橋時，非線性特性可相互抵消，因此非線性可以做得很小。

　　制作工藝兼容 該傳感器制作工藝相對簡單，且MEMS工藝與IC工藝兼融，成本相對較低。

　　通過結構設計，可提高性能 利用芯片結構設計，其靈敏度可以做得很高，實現微、低壓力的測量。利用“雙島結構”可實現10Ka的硅微壓傳感器，利用“梁膜結構”可實現1Ka的硅微微壓傳感器。利用硅壓阻壓力傳感器的結構設計，可實現隔離膜片充液封裝，提高硅壓阻壓力傳感器的可靠性和穩定性。

　　工藝成熟 硅壓阻壓力傳感器制作工藝成熟，生產廠家通常提供恒流、恒壓供電的溫度補償網絡。

　　缺點 從原理上講，硅壓阻壓力傳感器是以硅材料為基礎的物性型傳感器，硅材料受環境溫度影響較大，會產生很大的零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移，且形式多樣，對提高器件的穩定性很不利，同時硅壓阻壓力傳感器必須進行溫度補償，否則工業上很難應用；建立一套完整的溫度補償技術，不僅增加成本，同時也增加了人力資源，從某種意義上來說，極大地限制了硅壓阻壓力傳感器的廣泛應用。硅壓阻壓力傳感器的典型技術參數如表1所示。
 

　　表1、硅壓阻壓力傳感器的典型技術參數
　　注：準確度包括遲滯、重復性和非線性（最小二乘法）；
　　沒有其它說明，所有測試值均相對25℃，1mA恒流；
　　零點溫度系數和靈敏度溫度系數均為補償溫度后指標。

　　電容壓力傳感器是以硅材料為基礎，采用電容原理，即利用電容極間距變化將壓力轉換為電容變化，由MEMS工藝制作的傳感器。硅電容壓力傳感器特性評價如下：

　　穩定性好 硅電容傳感器是一種結構型傳感器，就檢測原理而言，其穩定性優于物性型傳感器，從結構設計角度保證了該類傳感器的穩定性；結構工藝采用全硬封固態工藝，硅-玻璃-金屬導壓管采用靜電封接，減少了用膠封等引起的應力、滯遲和變差；電容對溫度不靈敏，溫度附加誤差小，不需象硅壓阻器件那樣進行復雜的溫度補償。穩定性好是硅電容傳感器深受用戶好感的主要原因之一。

　　指標先進 電容傳感器本身具有小功率、高阻抗、靜電引力小、可動質量小、發熱影響小的特點，并可進行非接觸測量。硅電容傳感器綜合性能指標如非線性、過載、靜壓、可靠性等性能優于硅壓阻傳感器、陶瓷電容傳感器、金屬膜片電容傳感器。它與硅諧振傳感器相當，特別是用戶追求的非線性指標，通常硅電容傳感器的非線性優于0.05％FS的成品率大于60％。

　　適合批量生產，成本低 硅電容傳感器利用MEMS工藝制作，芯片尺寸為3mm×3mm，一個4寸硅片可制作幾百個元件。產品的工藝性好，性能一致，適合批量生產，低成本運行。其制備工藝與IC工藝兼容，工藝裝備無須象硅諧振傳感器的工藝裝備那樣昂貴和復雜，也無須象金屬膜片電容傳感器那樣單件制作，保證了硅電容傳感器具有高的性能價格比。

　　主要問題 因其檢測原理是采用電容極間距變化，而這種極間距變化本身是非線性的，為了改善非線性，開發出較為復雜的芯體結構，如接觸式、變面積與變極距相串聯等結構。另一個問題是要解決微弱電容信號的檢測問題。

硅電容壓力傳感器的典型技術指標如表2所示。
表2、硅電容壓力傳感器技術指標

　　硅諧振壓力傳感器

　　硅諧振壓力傳感器是以單晶硅為基礎材料，采用諧振原理即諧振梁的固有頻率隨施加軸向力的改變而變化，用MEMS工藝制作的傳感器。硅諧振傳感器的性能主要處決于諧振梁的品質因素和量規因素。機械品質因素反映諧振梁振動過程中能量損失情況，而量規因素則反映了諧振梁在特定固有頻率點對壓力的敏感程度。一般是將諧振梁密封在真空中來提高品質因素，而通過結構改進來提高量規因素。以下是對硅諧振傳感器的特性評價：

　　輸出信號為數字量，無須經過模/數轉換，可方便地與微機接口 這是由于硅諧振傳感器在單晶硅芯片表面上采用MEMS技術，在中心和邊緣做成兩個形狀、大小完全一致的H型諧振梁，且處于真空腔中，既不與充灌液接觸，又確保振動時不受空氣阻尼影響。諧振梁分別將壓力、差壓信號轉換為頻率信號，這樣傳感器直接輸出頻率信號，簡化與數字系統接口。

　　靜壓影響可忽略不計 當加有靜壓（工作壓力）時，兩形狀、尺寸、材質完全一致的諧振梁形變相同，頻率變化也一致，由靜壓引起的偏差自動抵消。

　　測量精度高，穩定性好 硅諧振壓力傳感器的測量精度和穩定性主要取決于測量原理、結構機械特性、制備工藝、所用材質等因素，由于硅諧振壓力傳感器在膜盒組件內設置了特性修正存儲器，存儲了傳感器的環境溫度、輸入輸出特性、靜壓等數據，對每一個數據點可進行修正補償，因而獲得高的精度和穩定性。

　　單向過壓特性優異 由于隔離膜片和膜盒本體采用獨特的波紋加工技術，當單向壓力增大到一定數值時，隔離膜片與本體完全接觸，起到保護作用。

　　存在的問題 結構復雜，加工難度大，成本高，從性能價格比看，并非最優。在應用硅諧振傳感器時，為實現閉環自激振蕩，應先解決檢測敏感元件微弱信號的檢測問題，采用“組合敏感”原理，可較好解決這一問題，但線路較為復雜。

硅諧振壓力傳感器的典型指標如表3所示（參考）。
表3、硅諧振壓力傳感器典型指標（參考）

　　上述介紹了三種典型的硅基力敏傳感器，采用這些傳感器生產的變送器，目前國內均在批量生產，廣泛應用于自控領域。變送器的特性與采用的傳感器的特性有很大關系。(end)