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- 高靈敏壓力傳感器過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/11/22
摘要：采用微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS） 犧牲層技術(shù)制作的壓力傳感器具有芯片尺寸小，靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也帶來(lái)了提高過(guò)載能力的難題。為此，利用有限元法，對(duì)犧牲層結(jié)構(gòu)壓阻式壓力傳感器彈性膜片的應(yīng)力分布進(jìn)行了靜態(tài)線性分析和非線性接觸分析。通過(guò)這兩種分析方法的結(jié)合，準(zhǔn)確的模擬出過(guò)載狀態(tài)下傳感器的應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上給出了壓力傳感器的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，從而可使這種壓力傳感器過(guò)載保護(hù)能力提高180% ～ 220%。
采用MEMS 技術(shù)的小量程、高靈敏壓力傳感器通常有平膜、島膜、梁膜等結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)時(shí)，一般采用凸臺(tái)等方法實(shí)現(xiàn)，形成方法有背部刻蝕技術(shù)、硅直接鍵合（ SDB） 技術(shù)、玻璃刻蝕技術(shù)等。然而這些結(jié)構(gòu)的腔體尺寸較大，進(jìn)一步提高靈敏度受到限制，而且降低了硅片利用率，增加了制造工藝的復(fù)雜度，提高了生產(chǎn)成本。目前小量程、高靈敏壓力傳感器的研究熱點(diǎn)集中在犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器，這主要是因?yàn)闋奚鼘咏Y(jié)構(gòu)壓力傳感器彈性膜片很薄，厚度可做到2 μm，甚至更薄。在這樣薄的結(jié)構(gòu)上，如果（ 采用擴(kuò)散硅或多晶硅薄膜作為犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的應(yīng)變電阻，其厚度相對(duì)較大，對(duì)彈性膜片應(yīng)力分布影響很大，不利于犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的性能優(yōu)化，因此采用多晶硅納米薄膜制作應(yīng)變電阻更能發(fā)揮犧牲層技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
通常壓力傳感器的應(yīng)變電阻是在單晶硅片上擴(kuò)散或注入雜質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)，為了改善溫度特性，后來(lái)也采用了多晶硅薄膜，但普通多晶硅薄膜的應(yīng)變因子較小，不利于提高靈敏度。最新研究結(jié)果表明，多晶硅納米薄膜具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，重?fù)诫s條件下其應(yīng)變因子仍可達(dá)到34，具有負(fù)應(yīng)變因子溫度系數(shù)，數(shù)值小于1 × 10 －3 /℃，電阻溫度系數(shù)可小于2 × 10 －4 /℃。因此，在犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器上，采用多晶硅納米薄膜作應(yīng)變電阻，可以提高靈敏度，擴(kuò)大工作溫度范圍，降低溫度漂移。然而，犧牲層結(jié)構(gòu)非常薄，如何提高傳感器的過(guò)載能力顯得尤為重要。對(duì)此，本文在保證傳感器滿量程范圍內(nèi)線性響應(yīng)的前提下，調(diào)整犧牲層厚度，通過(guò)彈性膜片與襯底的適當(dāng)接觸來(lái)有效提高傳感器的過(guò)載能力。
1 犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器
犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器是指彈性膜片利用犧牲層技術(shù)制作而成的壓力傳感器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中AB（ A'B'） 為膜片寬度a，AA'（ BB'） 為膜片長(zhǎng)度b，H1為膜片厚度，H2為犧牲層厚度。
圖1 犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器
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