MEMS 壓阻式壓力傳感器有別于傳統(tǒng)氣壓計(jì)，具有防水封裝、內(nèi)置溫度補(bǔ)償和高應(yīng)力耐受性。

雖然最早的氣壓計(jì)已有 300 多年的歷史，但現(xiàn)代氣壓傳感器的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)。現(xiàn)在，不斷縮小的芯片尺寸使這些傳感器能夠在汽車(chē)引擎甚至智能手機(jī)中發(fā)揮作用。 

ROHM Semiconductor 最近推出了 BM1390GLV 氣壓傳感器。新器件是一種 MEMS 壓阻傳感器，防水等級(jí)為 IPX8，適用于家用電器、工業(yè)設(shè)備和緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。 

這種常見(jiàn)的傳感器有何獨(dú)特之處？ 

MEMS 壓阻式壓力傳感器如何工作？

首先，簡(jiǎn)要回顧一下 BM1390GLV 的基本原理可能會(huì)有所幫助：壓阻效應(yīng)。這種效應(yīng)是指材料的電阻響應(yīng)于外部機(jī)械力而發(fā)生的變化。半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)比金屬要明顯得多。

如下所示，壓阻式壓力傳感器通過(guò)將壓阻式傳感元件連接到柔性膜片上來(lái)創(chuàng)建惠斯通電橋。 

壓阻式壓力傳感器創(chuàng)建惠斯通電橋。圖片由ROHM 提供

在壓力的影響下，隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而改變壓阻元件的電阻。電阻的變化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電橋輸出端施加的壓力成正比的電壓信號(hào)。

當(dāng)今的傳感器通常具有內(nèi)置電子設(shè)備，可在將電橋輸出信號(hào)傳送到信號(hào)調(diào)節(jié)鏈中的下一個(gè)環(huán)節(jié)之前進(jìn)一步處理該信號(hào)。  

MEMS：一項(xiàng)關(guān)鍵的使能技術(shù)

許多傳感器，包括壓力傳感器，都依賴于系統(tǒng)中的可移動(dòng)部件。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)）是使硅芯片上靠近信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備的可移動(dòng)部件成為可能的關(guān)鍵技術(shù)。

下圖顯示了如何使用該技術(shù)在硅芯片上創(chuàng)建微型質(zhì)量阻尼彈簧系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)傳感器。 

CMOS MEMS 加速度計(jì)的掃描電子顯微照片 (SEM)。圖片由K. Zhang 提供

事實(shí)上，微制造技術(shù)的巨大進(jìn)步使當(dāng)今許多小型低成本傳感器成為可能。例如，ROHM基于 MEMS 技術(shù)的新型壓力傳感器采用緊湊的 2.0 mm × 2.0 mm × 1.0 mm 封裝。 

防水性能

下圖對(duì)比了 BM1390GLV 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。

BM1390GLV 結(jié)構(gòu)與同類(lèi)產(chǎn)品相比，圖片由ROHM 提供

BM1390GLV 中采用的 MEMS 和控制電路可能與其他類(lèi)似產(chǎn)品沒(méi)有太大區(qū)別；然而，新傳感器采用專(zhuān)有結(jié)構(gòu)和特殊的防水凝膠，使其適用于需要防水性能的工業(yè)設(shè)備和家用電器。

BM1390GLV 采用IPX8 級(jí)防水封裝— 最高防水等級(jí)。 

內(nèi)置溫度補(bǔ)償

應(yīng)變計(jì)的特性隨溫度而變化，因此需要溫度補(bǔ)償來(lái)提高壓阻式壓力傳感器的精度，尤其是當(dāng)設(shè)備要在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用時(shí)。

根據(jù) ROHM 的說(shuō)法，BM1390GLV 采用專(zhuān)有的溫度補(bǔ)償算法來(lái)最大限度地減少溫度引起的誤差。

下圖比較了新傳感器與其他同類(lèi)產(chǎn)品的性能。

BM1390GLV 與同類(lèi)產(chǎn)品的性能對(duì)比。圖片由ROHM 提供

該公司聲稱(chēng)新傳感器（上面的紅色曲線）優(yōu)于具有內(nèi)部溫度補(bǔ)償（藍(lán)色曲線）的同類(lèi)產(chǎn)品以及那些消除外部 MCU 誤差的解決方案（綠色曲線）。另請(qǐng)注意，由于溫度校準(zhǔn)不需要外部 MCU，因此新器件可以提供較低的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。 

承受壓力

BM1390GLV 使用陶瓷封裝，最大限度地減少了安裝應(yīng)力的誤差。下圖顯示了用于新傳感器的陶瓷封裝和傳統(tǒng)傳感器中常用的樹(shù)脂封裝的應(yīng)力模擬。

陶瓷封裝與樹(shù)脂封裝的應(yīng)力模擬。圖片由ROHM 提供

采用更堅(jiān)固的封裝消除了設(shè)計(jì)人員在使用樹(shù)脂產(chǎn)品時(shí)面臨的布局限制，因此提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。

氣壓傳感器的應(yīng)用

氣壓傳感器測(cè)量絕對(duì)氣壓。除了傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用外，這些傳感器還可用于智能手機(jī)的導(dǎo)航。由于氣壓隨海拔升高而降低，因此來(lái)自高分辨率氣壓傳感器的信息可用于確定海拔高度。

BM1390GLV典型應(yīng)用電路及框圖。圖片由ROHM 提供

可用于輔助衛(wèi)星導(dǎo)航或用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)

在丟失衛(wèi)星信號(hào)的情況下。航位推算通過(guò)估計(jì)行進(jìn)的方向和距離來(lái)計(jì)算一個(gè)人的位置。在某些情況下，氣壓傳感器可以區(qū)分小至一步高度的高度變化。 

這些傳感器適用于跟蹤健身活動(dòng)和識(shí)別手勢(shì)。氣壓傳感器還用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，以在不同海拔高度行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳效率。 

新型 BM1390GLV 氣壓傳感器的用例。圖片由ROHM 提供

ROHM的新型傳感器主要針對(duì)家用電器，如電飯煲和吸塵器；需要防水性能的工業(yè)設(shè)備；在戶外運(yùn)行的小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；和無(wú)人機(jī)。