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。