MEMS温度传感器的原理介绍

MEMS温度传感器的原理是：当外界环境温度变化时， MEMS芯片上的硅烷偶联剂与硅胶表面结合发生化学反应，使硅烷的化学性质也随之发生变化，当此变化超过硅烷的临界值时，将引起硅烷偶联剂与硅胶表面发生作用。

由于MEMS芯片是一个三维集成式元件，当外界环境温度变化超过临界值时， MEMS芯片上的硅表面产生局部应力应变。而应力会在硅烷表面的化学性质上产生化学反应并在硅表面产生微沟槽结构的微裂纹。通过这些微裂纹的开合以及微沟槽中硅表面化学性质变化的相互作用，将导致硅烷和硅胶之间发生化学作用并使硅胶表面温度升高。当外界环境温度升高时，与Si-Ag有化学反应的活性硅化物之间会发生氧化反应而在硅界面处产生氧化层从而使得硅烷在表面上发生吸附并形成了Si-Ag键合；而硅表面上其他反应不会发生使Si-Al键合。

近年来，微机电系统（MEMS）技术得到了迅速发展，广泛应用于传感器、执行器和控制器等众多领域，如：航空航天、航海导航与控制、计算机、家用电器和电子设备以及军工制造等领域。其中温度传感器作为MEMS传感器的一个重要组成部分，在各应用领域中得到了广泛的应用。本文将为大家介绍一下 MEMS温度传感器的分类和特点以及工作原理。MEMS温度感测系统是一种多功能MEMS感测器件，它通过热敏元件将温度转换成电信号，然后通过数字接口将这种信号进行放大和逻辑运算转换成控制信号输出给控制器或其它控制电路；

在我们的日常生活中有很多事情都是通过自动化设备来完成，而这些自动化设备中，温度传感器起着非常重要的作用。

但是现在几乎所有智能手机都有温度传感器，这是为什么呢？

MEMS传感器主要用于工业环境、医疗卫生及军事领域，是目前最主流、应用最广泛的传感器类型之一。

由于 MEMS技术相对于传统传感器来说更小、更轻所以更加便于安装在各种需要测量温度的地方。

另外 MEMS传感器因为它具有较低的成本，因此很容易进入到消费电子产品领域。

目前已经有大量基于 MEMS MEMS传感器设计的产品问世，例如我们前面提到的智能手机中采用的就是其中一款温度测量芯片。

现在市场上有很多关于 MEMS温度传感器的新闻报道，比如国外知名品牌 Molex推出了一款基于 PTC陶瓷和硅基芯片设计并集成在智能手机上；国内知名品牌微特电子也发布了两款相关产品。

今天我们就来简单了解一下两个产品都是怎么实现智能手机温度监测功能的，然后看看这其中是否有你感兴趣的东西。

一、概述

在前面的文章中，我们已经简单了解了 MEMS温度传感器的工作原理和基本结构。

Molex公司推出的一款智能手机采用了一种基于 MEMS PTC陶瓷和硅基芯片设计并集成在智能手机上。

与传统传感器相比， MEMS PTC陶瓷温度传感器可以在很大程度上降低系统设计的复杂性，因此可以广泛应用于消费电子产品中。

它是通过将热电阻、热电偶、以及其他一些敏感元件集成在单个元件中，并将其与集成电路（IC）电路相连而制成的。

这些集成在一起的元件就像一个小盒子一样，它可以很容易地集成在智能手机外壳内部和外部。

Molex表示，通过采用微处理器和微控制器控制的 PTC传感器等部件，用户只需点击一下按钮就可以轻松地对手机进行温度监测。

二、工作原理

Molex的温度测量系统主要包括三个部分：（1）热阻匹配电路，用于将热电偶输出的信号与热阻匹配；（2）温度转换电路，将温差电磁场转换成电压输出；（3）电压放大和补偿电路。

Molex的工作原理如下：

它在两个热电偶之间使用一个热敏电阻的两种变化，测量出这两个器件之间的温差。

然后 Molex再利用温差电噪声来检测温度变化，然后再将它与之前的信号进行比较计算得到被测温度。

微特电子提供了一种基于电阻式 PTC热敏电阻的产品；该产品能够提供极高的精度、非常高的温度稳定性，并具有非常低的温度漂移。

微特电子还针对这款产品进行了功能优化，使得其能够在-40℃ +85℃之间具有很高的灵敏度；在-55 +85℃之间具有极强的抗扰性；并且能够测量-55~+85℃之间存在且非常微弱的信号变化。

三、产品参数与功能

·温度传感器工作温度范围为-40℃~+85℃，

·在-40℃~+85℃时，灵敏度不低于100 mV/cm；

·输出端为05 mA的模拟信号，输出端可支持15 VDC的充电；

·温度传感器最大分辨率为1μm，最小分辨率为0.005μm；

·量程范围：0100℃（-20°C）或0125℃（-50°C）；

·可根据客户需求定制输出电流（≤50 mA），或输入信号的最大值（≥10 mA）；

·在测量期间可以设置工作时间、工作状态指示灯等。

四、工作环境参数

（1）湿度：小于95% RH （相对湿度）；

（2）温度：-40~80℃；

（3）海拔：<1000m；

（4）光照度：≤100 lux （无直射阳光）；

（5）空气流速：<0.8m/s （在风速大于10m/s时，可参考2节距中的公式计算最大风速；

六、工艺过程

将芯片放置到模具中，模具上有几个凹槽，每个凹槽中放置一块小的圆形硅片，然后再用胶水将其固定在模具上。

接下来就是要对硅基 PTC陶瓷片进行封装制造了。

我们前面提到了， Molex使用的是一种叫做 SMD的工艺来制作 PTC陶瓷片，它其实就是把电阻元件粘在金属基底上。

接着要对这些小尺寸和厚度的陶瓷片进行刻蚀。刻蚀时使用的材料为 AlN，并通过真空扩散来去除氧化层；最后采用真空烧结来把这些 PTC陶瓷片烧结到一起以便形成 PTC传感器的基础结构。

微特电子则使用的是另一种工艺就是使用热压技术来实现陶瓷封装芯片；这样做能够有效地解决氧化问题并提高可靠性。

七、应用前景与市场规模

MEMS传感器可以说是一个非常庞大的市场，主要应用领域为消费电子、医疗和工业控制等领域。

在消费电子领域， MEMS传感器因为体积小、重量轻、功耗低、寿命长等特点，可用于各类智能终端的温度监测功能。

例如智能手机中的温度测温芯片就是 MEMS传感器之一，主要用于对手机内温度的监测。

另外 MEMS体温计可以用来检测是否发烧，以及体温是否过高，从而避免被烫伤或者中暑。

根据市场研究机构 IC Insights统计数据显示：2018年全球 MEMS产品销售收入为245亿美元，其中消费电子类产品销售规模约占35%，汽车电子占22%。