準確測量高度/氣壓變化　電容式壓力計應用需求升溫

微機電系統(MEMS)的技術、性能不斷突破，以及元件尺寸與成本的降低，使得微機電元件的應用也越來越廣泛，並在行動裝置、物聯網等領域大放異彩，如加速度計、陀螺儀、麥克風、振盪器、微投影器等，都是MEMS的代表作。

近年，由於製程技術的進步，MEMS壓力感測器也被應用在汽車、工業、醫療與消費性電子等產品上。在MEMS壓力計眾多應用中，運用於行動導航中做為高度(氣壓)量測的感測單元，目前已受到消費性電子系統商的青睞，未來將成為新的殺手級應用，未來幾年MEMS高度計在市場上會有爆發性的需求與成長。根據Yole Developpement市場調查報告指出，未來MEMS壓力計的銷售將會力壓目前無處不在的加速度計，以及愈來愈普遍的陀螺儀。

壓力計分成壓阻/電容式兩大類

圖1　壓阻式MEMS壓力計示意圖

MEMS壓力感測器在設計原理上，主要可分為壓阻式與電容式。壓阻式MEMS壓力計結構圖如圖1所示，其結構主要包含基板、薄膜與壓阻材料，其中基板會與薄膜形成一腔體，使薄膜在受到外界壓力時有變形的空間，而壓阻材料則設置於薄膜的周圍，亦即薄膜在受到外在壓力作用後，產生最大變形的區域。

圖2　壓阻式MEMS壓力計作動原理

壓阻式壓力計作動原理如圖2所示，當待測環境壓力發生變化後，壓力感測器上的薄膜變形量也會隨之改變，並使薄膜上的壓阻材料產生形變，進而造成壓阻材料自身的阻值產生改變，此一阻值的變化經由惠司頓電橋以及放大電路的讀取與訊號處理後，再經過後端的演算與轉換進即可獲得壓力的變化值。

圖3則為電容式MEMS壓力計的結構示意圖，包含基板、下電極板與薄膜，其中下電極板是固定基板上方，而薄膜則位於下電極板上方並與基板形成一腔體，使薄膜在受到外部壓力作用時有變形的空間，且藉由此一腔體，薄膜也與下電極板形成一電容，根據平行電容板公式，此時薄膜與下電極板所形成之電容為公式(1)：

................................................公式(1)

其中，C為下電極板與薄膜之間的電容值、為介電常數其值約為8.854×10-12、A為下電極板與薄膜重疊的面積，d則為下電極板與薄膜之間的距離；當電容式MEMS壓力計受到外部壓力P1作用時，薄膜會因為外界環境的壓力產生變形，並改變薄膜與下電極間的距離為d1，當外部壓力改變為P2後，薄膜會因為壓力的改變而產生不同的形變，使薄膜與下電極間的距離變為d2，如圖4所示，而電容式MEMS壓力計因為壓差所改變的電容值，可由公式(2)獲得：

圖3　電容式MEMS壓力計結構示意圖

................................公式(2)

此電容值的變化經由讀取電路放大後，在經過運算轉換即可得到壓力的變化值。 相較於電容式壓力感測器，壓阻式壓力感測器在製程上較簡單，但若要有較高解析度時必須加大驅動電流將造成較高的耗電，而電容式壓力計除有低功耗的優點外，在解析度與抗溫度變化的表現上均較壓阻式壓力計的表現佳，但是在結構設計與製程上有較高的門檻要求。

圖4　電容式MEMS壓力計原理示意圖

電容式壓力計實現高精準度高度量測

目前壓力感測器最夯的應用就是偵測所處環境的大氣壓力，進行高度變化量測；由於大氣壓力會隨著高度的增加而減少，因此使用者只要利用MEMS壓力計量測外在環境的大氣壓力，在經過校正與轉換後即可獲得所在的位置的海拔高度資訊；海拔高度與大氣壓力之間的關係圖如圖5所示，而其關係式則如公式(3)：

圖5　大氣壓力與海拔高度變化關係圖

.......................................公式(3)

圖6　MEMS壓力計之SEM圖

其中P0為海平面的大氣壓力，值約為101.325kPa(此值會因天氣狀況而有所改變)，P為使用者所在位置的大氣壓力，而H則為使用者所在位置的海拔高度。由圖7可發現，全程量測範圍為30k∼110kPa的壓力計，即可量測海平面上9,726公尺到海平面下657公尺間的高度變化，此一高度區間幾乎已含括一般使用者的活動範圍。

表1為目前市場上MEMS壓力計應用於高度量測的主流規格，其解析度可達2Pa，若以海平面附近的大氣壓力變化來看，80公尺的大氣壓力變化約為1,000Pa，亦即1公尺的大氣壓力變化約為12.5Pa，因此，2Pa的解析度可非常精準的辨析建築物內樓層的變化，達到室內行人定位導航的目標。

表1　MEMS壓力計市場主流規格

目前國內外MEMS晶片商和技術研究機構皆積極投入開發MEMS壓力計，而國內工研院南分院微系統中心現採用電容式設計，利用自行開發的專利感測結構，不須複雜的製程加工即可達到電性隔離效果；圖6為製作完成後的電容式MEMS壓力感測元件SEM(Scanning Electron Microscope)圖，搭配微系統中心開發的電容讀取專用IC，即可完成壓力的讀取，圖7為壓力計與專用IC的實體照片，而圖8為整個電容式MEMS壓力感測系統的架構圖。

圖7　壓力計與特用IC的實體照片

壓力計應用於壓力量測的結果如圖9所示，將電容式MEMS壓力感測單元與讀取電路置放於壓力控制腔，並微調壓力控制腔內的壓力變化至10Pa或20Pa後，測得的量測結果圖。由結果可發現新型結構的壓力計可輕易讀取出10Pa的壓力變化，且雜訊小，具有非常高的解析度，足可應用於大氣壓力的偵測，並滿足個人行動導航對高度量測的需求(圖中的向上與向下的過衝現象為壓力計忠實反映壓力腔控制器在做壓力調整時所產生之不穩定現象)。

圖8　電容式MEMS壓力計系統架構圖

圖9　壓力計於壓力量測結果曲線圖

圖10　壓力計於TPMS量測結果曲線圖

此外，該類型電容式MEMS壓力計應用於胎壓監測系統(TPMS)，量測結果則如圖10所示。 2014年，全球高階手機龍頭廠商蘋果(Apple)已在最新一代智慧手機--iPhone 6中導入MEMS壓力計，在指標性廠商的帶頭下，未來壓力計在手機與平板上的應用絕對是令人值得期待的，此外MEMS壓力計除在高度測量的應用上炙手可熱外，在車用以及醫療等相關產業應用上的需求也正逐漸攀高。

(本文作者任職於工研院南分院微系統中心)