一周解一惑系列：MEMS压力传感器详解，机器人或打开新场景

本周关注：恒立液压、五洲新春、浙海德曼、凌云股份、卓兆点胶 MEMS压力传感器的技术融合与应用概览：MEMS压力传感器是一种结合了先进微电子技术和精密微机械加工技术的高精度传感器。它们以微型化设计为核心优势，能够通过微型机械结构与电子电路的结合，精确监测和转换压力变化。这些传感器包括压阻式、电容式和压电式，主要用于消费电子和工业过程控制等领域，因其小尺寸和高性价比而广受欢迎。MEMS传感器能将物理压力转换为电信号，通过不同的工作原理（如硅压阻式和硅电容式）进行压力测量，使其在工业和科研领域得到广泛应用。 MEMS压力传感器的多样化分类及其广泛应用领域：EMS压力传感器分为压阻式传感器、电容式传感器、光纤压力传感器、谐振压力传感器、压电式压力传感器，各自基于不同的工作原理和性能特点。2）市面上主流的MEMS压力传感器主要包括压阻式和电容式两大类：压阻式传感器以高灵敏度和快速响应著称，但可能受温度影响；电容式传感器则以高精度和稳定性为特点，但易受外界环境影响且成本较高。3）在人形机器人手指的应用中，压阻式和电容式传感器都有着各自的独特优势和局限性。在机器人手指的具体应用中，找到两个电容式传感器的实例，都是通过使用Pressure Profile Systems公司生产的电容触觉传感器来实现触觉传感：Barrett机器手采用PPS公司的7个电容式压力传感垫，分布于手掌、指中、指尖。手掌传感器为10x10mm，含24个元件；指中和指尖传感器为6x6mm，指中24个元件/1个传感器，指尖含22个元件/1个传感器。Willow Garage PR2抓夹由两个相同的pps公司的传感器组成。传感器由22个传感元件组成。两个机器手所使用的TACTARRAY触觉压力传感器基于Digitacts技术，但因未公布其价格 ，成本估算基于官网上的SingleTact微型力传感器单个价格33美元计算，根据夹爪式，三爪式的不同数量需求，其成本大约为66/230美元。 MEMS压力传感器的技术难点主要体现在芯片与标定检测：1）芯片：MEMS芯片包含机械机构，需实现机械与电子的互动。由于微电机通常在微米级，MEMS芯片更注重工艺性而非先进制程。即使ASIC芯片采用与集成电路相似的制造工艺，由于MEMS传感器的模拟输出微弱或有非常规使用条件，通用ASIC芯片难以满足需求，需要联动设计定制化制造。2）标定检测：由于MEMS传感器具有产品一种加工工艺的特点，产品种类多样，功能和应用领域各异，导致生产工艺和封装工艺需根据产品设计调试。此过程需要多方专业知识以及高精度仪器，对传感器进行严格测试及后续校准，以确保压力测量误差在可接受范围内，确保产品的高性能、稳定性和可靠性。 MEMS压力传感器优势明显，市场体量较大：根据ReportLinker数据2023年MEMS压力传感器市场规模估计为23.6亿美元，预计到2028年将达到31.9亿美元，在预测期间（2023-2028年）以6.20%的复合年增长率增长。工业自动化和各地区对小型化消费设备的需求，是推动MEMS压力传感器市场的重要因素之一 投资建议：关注具备核心研发能力、标定检测能力的公司，如康斯特、敏芯股份、华培动力、安培龙。 风险提示：1）机器人新产品研发及拓展不及预期的风险。2）下游需求不及预期的风险。 1MEMS压力传感器 1.1MEMS压力传感器综述 MEMS压力传感器，全称微机电系统（MicroelectroMechanical Systems）压力传感器，是一种融合了尖端微电子技术和精密微机械加工技术的高精度传感器。它们通过微型机械结构与电子电路的结合，实现对压力变化的敏感监测和精确转换。这些传感器主要包括压阻式、电容式和压电式，通过检测物理形变或电荷累积来测量压力，进而转化为电信号进行处理。其核心优势在于微型化设计，让MEMS压力传感器在精度、尺寸、响应速度和能耗方面均具有卓越表现。 利用集成电路（IC）的设计技术和制造工艺，MEMS压力传感器实现了高精度、低成本的大规模生产，为消费电子和工业过程控制领域的广泛应用提供了成本效益。与传统的基于金属弹性体变形的压力传感器相比，MEMS压力传感器以更小的尺寸（通常不超过1厘米）和更高的性价比突显其优势，将压力控制的简易性与智能化推向新高度。 1.2MEMS压力传感器原理 MEMS压力传感器是基于微机电系统技术的精密传感器，它们能够将物理压力转换为电信号，这一过程依赖于传感器内部的微型机械结构的物理变形。在工业和科研领域中，这些传感器因其高精度和小型化特性而被广泛采用。目前，市面上常见的MEMS压力传感器主要分为硅压阻式和硅电容式两大类，它们都是在硅基底上制造的微型传感器，但工作原理各有差异。 图1：MEMS压力传感器管芯结构和电原理 1)硅压阻式压力传感器 硅压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应，通过在硅片上集成的惠斯顿电桥来实现压力至电信号的转换。这种传感器的敏感元件是一种微加工的硅薄膜或梁，其上集成有压阻元件。当外部压力作用于上方的硅薄膜时，压阻元件的电阻值会因为材料的机械应力而发生改变，进而导致惠斯顿电桥产生差动电压输出。该输出电压与施加压力成正比，允许对压力进行量化测量。 图2：压阻式压力传感器受外力作用示意图 微加工技术使得这些压阻元件可以在微米尺度上精确放置于硅薄膜的应力集中区，从而提高传感器的灵敏度和测量精度。这些硅压阻式压力传感器通常配备有温度补偿机制，以减少环境温度变化对测量准确性的影响，确保长期稳定性和可靠性。 图3：硅压阻式压力传感器结构图，及实物 图4：惠斯通电桥电路 2）硅电容式压力传感器 硅电容式压力传感器则采用了不同的检测机制。它们使用一对平行的硅基电容板，这些电容板通过微机电系统技术在硅片上构建。当外部压力作用于移动电容板时，板间距离发生变化，从而导致电容值的变化。这种板间距离与电容值之间的直接关系使得硅电容式压力传感器在压力检测方面具有极高的灵敏度和非线性极小。 图5：电容式压力传感器受外力作用示意图 电容式传感器由于其结构的简单性，在尺寸和功耗方面具有独特的优势。它们特别适用于那些要求长期稳定无需频繁校准的应用场景。此外，电容式传感器由于其固有的电气特性，对电磁干扰具有较高的抵抗力，这在复杂的工业环境中尤为重要。 图6：硅电容式压力传感器结构图，及实物 1.3MEMS压力传感器的功能实现 MEMS（微电子机械系统）压力传感器在技术创新和应用领域方面已取得显著进展。这些传感器不仅实现了高精度压力测量，覆盖了从微帕斯卡至几千帕斯卡的范围，而且还实现了微型化与集成化设计，使其能够方便地集成到智能设备和医疗植入物中。此外，它们在实时监控与快速响应方面也表现出色，尤其在安全敏感的应用中。 虽然高精度技术和精密工艺的成本较高，但这些传感器在工业自动化、医疗监测和航空航天等领域的效率提升使得投资具有价值。环境适应性也是MEMS压力传感器的一个重要特点，它们能够在极端的环境条件下稳定运行，如高低温、湿度、化学腐蚀和机械冲击等。 目前，柔性MEMS技术和自校准与智能故障预测和诊断等技术仍在发展中，这些技术的进步预计将进一步拓展传感器的应用范围和功能。同时，提高能效和降低功耗对于电池供电的设备来说至关重要，尽管初始研发成本较高，但长期来看可减少运行成本。 表1：MEMS压力传感器的功能实现 2MEMS压力传感器的分类及应用 2.1MEMS压力传感器的分类 MEMS压力传感器根据其独特的工作原理被划分为几种主要类型：压阻式、电容式、光纤式、谐振式和压电式。压阻式传感器通过半导体材料的压阻效应来检测压力变化，其优势在于高灵敏度和快速响应，但可能受温度漂移影响。电容式传感器依赖于导电板间距的变化来改变电容值，提供优异的精度和稳定性，但在粉尘或液体环境下性能可能下降。光纤式传感器使用Fabry-Perot干涉仪原理来测量压力，具有高精度和免疫电磁干扰的优点，但成本较高。谐振式传感器通过压力引起的谐振元件振动频率变化进行测量，拥有极高的精度和稳定性，但设计复杂。最后，压电式传感器基于压电效应，适用于瞬态压力监测，其结构简单易于集成，但响应可能非线性。每种传感器都有其独特的性能特点和应用场景，选择合适的传感器需要考虑具体的测量要求和环境条件。 表2：MEMS压力传感器的分类及工作原理 2.2压阻式与电容式传感器的技术细节与应用对比 压阻式传感器的工作原理基于压阻效应，即当材料（如硅或锗）承受机械应力或应变时，其电阻会发生变化。这些传感器由一个薄膜构成，上面布置有压阻元件或应变计，通常以惠斯通桥电路的形式排列。当压力施加到薄膜上时，压阻元件承受应力，导致电阻变化，这种变化与所施加的压力成比例。压阻式传感器具有高灵敏度，能够检测微小的压力变化，适用于需要精确压力测量的应用。它们可以测量从极低到极高的广泛压力范围，并且通常具有快速的响应时间，适用于动态环境中的实时测量。这种传感器通常响应时间小于1毫秒，适用于从3 psi到约20,000 psi的压力范围。这些传感器体积小巧、重量轻，易于集成到各种系统中。然而，它们的性能可能会受温度变化的影响，可能需要定期校准以保持最佳性能，并且成本可能是某些应用的限制因素，尤其是当需要高精度或长期稳定性时。 电容式传感器通过测量由于膜片运动导致的电容变化来感测压力。电容器由两个平行的导电板组成，板间有一小间隙。其中一个板充当受压力移动的膜片，改变电路的电容。电容式传感器能够在广泛的温度范围内运行，对短期过压条件非常耐受。它们可以用于从真空（2.5 mbar或250 Pa）到高达10,000 psi（约70 MPa）的压力范围。这些传感器本质上是低功耗的，因为电容器中不流动直流电流。它们表现出低滞后性和良好的测量重复性，对温度变化的敏感性也很低。 但是，它们的输出与平行电极间隙的倒数成比例，因此存在非线性问题，对振动也比较敏感，材料约束可能限制其应用范围。 1）压阻式与电容式传感器在机器人中的应用： 压阻式传感器常用于机器人的触觉系统，用于检测与物体的接触力度和位置。这在精密操作或当机器人需要通过触感来识别物体时非常重要。在机器人的平衡控制中，压阻式传感器可以用于测量重力对不同部件的作用，帮助机器人保持稳定。在工业机器人中，压阻式传感器用于监测搬运负载的重量，确保机器人在安全的负载范围内操作。 电容式传感器在精确测量机器人关节的位置和运动方面非常有效，有助于实现精确的运动控制。电容式传感器用于检测机器人的加速度和倾斜角度，对于导航、定位和运动规划至关重要。并且可用于检测机器人周围的物体或障碍物，尤其在需要非接触式检测时。 图7：压阻式机器人触觉传感器及多模式触觉传感器 2）响应时间与精准度的比较 响应时间：一般而言，电容式传感器比压阻式传感器提供更快的响应时间，这对于快速动态环境中的机器人尤为重要。 精准度：虽然两种传感器都能提供高精度的测量，但电容式传感器通常在长期稳定性和重复性方面表现更优。 3）长期稳定性与机械应力影响 压阻式传感器可能会受到长期使用中材料疲劳或老化的影响，导致性能随时间逐渐降低。由于其工作原理依赖于材料的形变，因此在重复或过度的机械应力下可能会出现精度下降或失效。 电容式传感器通常具有较好的长期稳定性，因为它们不依赖于材料的形变或电阻变化。虽然电容式传感器对机械应力的敏感性较低，但在极端情况下，如过大的振动或冲击，仍可能导致性能下降。 2.3成本分析：人形机器人手指可能可行方案 MEMS压力传感器的成本受到其制造工艺的影响。采用先进的微加工技术，这些传感器能够实现小型化和高精度，但这些技术可能导致较高的初始投资和制造成本。材料选择，如用于压阻或电容元件的硅，也对成本有显著影响。此外，大规模生产可以显著降低单个传感器的成本，这是由于固定成本在更大产量上的摊销以及生产效率的提高。 特定应用的需求也是影响成本的关键因素。例如，需要在极端环境下运行的高性能传感器可能需要更贵的材料和更复杂的设计