電容式與壓阻式 MEMS 感測器的差異:原理、功耗、溫度特性、用途比較

MEMS 的加速度感測器與壓力感測器,是將質量塊或膜片受力而移動或彎曲的量轉換為電訊號。電容式由可動電極與固定電極之間電容的變化測量位移。功耗小,也不易受溫度影響,但變化極為微小,因此需要高感度的專用電路。壓阻式利用矽受到應力時電阻率改變的效應,以電橋電路讀取。電路簡單,輸出也容易處理,但由於持續流過電流,功耗較大,溫度造成的變化也必須補償。

項目電容式壓阻式
偵測原理可動電極與固定電極之間電容的變化應力造成的電阻率變化(壓阻效應)
加速度感測器的結構在以彈簧支撐的質量塊上裝設梳狀的可動電極,測量其與兩側固定電極之間的電容差(差動)在支撐質量塊的樑上製作電阻,測量樑彎曲時的應力
壓力感測器的結構測量受壓彎曲的膜片與對向電極之間的電容在薄膜片的邊緣製作 4 個電阻,組成惠斯登電橋
讀取的訊號非常小的電容變化(加速度感測器有時在 fF 以下)。需要將電容轉換為電壓的專用 ASIC將電阻的變化以電橋電壓的形式取出。電路簡單
功耗小。沒有直流電流流過偏大。電橋持續流過直流電流
溫度的影響不易受影響電阻值與感度隨溫度大幅變化,溫度補償不可或缺
感度與解析度藉由差動電極與高感度電路,容易以高解析度測量小的加速度與微小壓力輸出的線性度佳。感度相對較低,但也適合測量大的壓力或衝擊
靜止狀態(固定力)的測量可以(也能測量重力)可以(也能測量重力)
抗干擾能力容易受導線的寄生電容與電氣雜訊影響,電路需放在感測器附近阻抗低,不易受寄生電容影響
製造以表面微加工等方式製作,容易與電路晶片一起放進小型封裝主要以體型微加工製作膜片或樑,再以離子佈植或擴散形成電阻
主要用途智慧型手機等的加速度感測器與陀螺儀、MEMS 麥克風、低功耗的氣壓感測器汽車引擎或輪胎的壓力、血壓計、工業用壓力計、衝擊用加速度感測器

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

電容式
想降低電池供電裝置的功耗時、想在溫度變化大的環境中保持穩定時,或想以高解析度測量微小變化時。
壓阻式
想簡化電路時、重視輸出的線性度與易用性時,或要測量大的壓力或衝擊時。
選擇時的注意事項
實際產品的性能,不只取決於感測器的結構,也會因搭配的電路、溫度補償與封裝而大幅改變。應以規格書比較功耗、量測範圍、精度與溫度範圍後再選擇。

常見問題

壓阻與壓電是一樣的嗎?

不一樣。壓阻效應是電阻率因應力而改變的效應,需流過電流來測量電阻的變化。壓電效應是材料因應力而產生電荷的效應。壓電式在固定的力持續作用時電荷會流失,因此難以測量像重力這樣固定的加速度,而壓阻式則可以測量。

為什麼智慧型手機的加速度感測器是電容式?

因為功耗小、不易受溫度影響,而且容易與電路晶片一起放進小型封裝。電容的變化雖然極為微小,但可以藉由差動電極與高感度電路讀取。

為什麼壓阻式需要溫度補償?

因為矽的電阻值,以及電阻相對於應力的變化幅度(感度),都會隨溫度改變。將 4 個電阻組成電橋可抵消部分影響,其餘則以補償電路或校正加以修正。

理解度檢測

電容式MEMS加速度感測器偵測加速度的原理,下列何者正確?

  1. A溫度變化造成的電阻值變化
  2. B可動部(質量塊)位移造成的電極間電容變化
  3. C光干涉條紋的變化
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正確答案:B. 可動部(質量塊)位移造成的電極間電容變化

施加加速度時,由彈簧支撐的質量塊會因慣性而移動,與梳齒狀固定電極之間的距離隨之改變。電路偵測其電容變化,即可求得加速度。位移在數nm以下,電容變化在fF(10⁻¹⁵ F)以下,非常微小,但可藉由差動電極結構與高靈敏度電路讀取。由於結構簡單、耗電低且不易受溫度影響,因此廣泛用於智慧型手機等裝置。

下列關於半導體壓力感測器等所利用的壓阻效應的敘述,何者正確?

  1. A施加機械應力時,材料的電阻率會改變的效應
  2. B照光時會產生電壓的效應
  3. C電流方向受磁場彎曲的效應
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正確答案:A. 施加機械應力時,材料的電阻率會改變的效應

矽受到應力時,晶體的能帶結構會改變,電阻率的變化量比金屬應變計大數十倍(壓阻效應)。在受壓力而變形的薄膜(膜片)邊緣製作4個電阻,並以惠斯登電橋偵測電阻變化,即可將壓力轉換為電訊號。用於汽車引擎與輪胎的壓力、血壓計、氣壓計等,溫度補償是設計的關鍵。

MEMS麥克風將聲音轉換為電訊號的代表性方式,下列何者正確?

  1. A偵測因聲音而發熱的電阻的溫度變化
  2. B偵測因聲音而發光的元件的光量
  3. C偵測因聲壓而振動的薄膜與固定電極之間的電容變化
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正確答案:C. 偵測因聲壓而振動的薄膜與固定電極之間的電容變化

一般的MEMS麥克風以因聲壓而振動、厚度約1 µm的薄膜(膜片)與有孔的固定電極(背板)構成電容器,並由同一封裝內的ASIC將薄膜振動造成的電容變化轉換為電訊號。比起傳統的駐極體電容式麥克風,體積更小,耐焊接熱,特性也容易一致,因此智慧型手機會使用多顆麥克風來進行降噪等處理。

  1. 在以4個電阻R1、R2、R3、R4組成的惠斯登電橋(R1與R2、R3與R4各自串聯,且這兩組並聯)中,兩組中點之間沒有電流流過(平衡)的條件是哪一個?
  2. MEMS加速度感測器即使在靜止狀態下也會偵測到約1 G的加速度,其理由下列何者正確?

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相關名詞的解說

電容式感測
由可動電極與固定電極之間靜電電容的變化,來偵測位移或壓力等的方式。廣泛用於MEMS感測器。
壓阻效應
施加機械應力時,材料的電阻率發生變化的效應。在矽中特別大,用於半導體壓力感測器等。
加速度感測器
由彈簧支撐的微小質量塊的運動來偵測加速度的感測器。用於智慧型手機的方向偵測與安全氣囊等。
MEMS(微機電系統)
微機電系統。利用半導體的微細加工技術,將微小的機械結構與電子電路製作在一起的元件。

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