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- 淺談微壓力傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2013/5/29
微壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種壓力傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、液壓機(jī)械、除塵設(shè)備等眾多行業(yè)。微壓力傳感器具有廣泛的用途，目前微壓力傳感器的量程還不夠小，靈敏度和線性度也不是很好，所以微壓力傳感器還不能得到很好的應(yīng)用，隨著科技的發(fā)展，微壓力傳感器的應(yīng)用前景將會進(jìn)一步拓展。
傳感器的靈敏度和線性度是傳感器最重要的性能特征，在微傳感器中微壓力傳感器是其中一個(gè)主要的分支，對于超微壓力傳感器而言，小量程的微壓力傳感器的靈敏度和線性度一直是阻礙微壓力傳感器發(fā)展的一大因素。
微壓傳感器的工作原理風(fēng)壓傳感器的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號。
靈敏度和線性度是壓力傳感器最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)。為了制作出能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求的壓力傳感器，必需探索出一種壓力傳感器靈敏度和線性度的有效仿真方法。提供了一種基于對壓阻式壓力傳感器薄膜表面應(yīng)力的有限元分析(FEA)和路徑積分的仿真方法，從而實(shí)現(xiàn)了在滿量程范圍內(nèi)不同壓力值下對傳感器電壓輸出值的精確估計(jì)，在此基礎(chǔ)上對壓力傳感器的靈敏度和線性度進(jìn)行了有效仿真。微壓傳感器發(fā)展迅速，新研制出的一類傳感器由于采用壓電單晶片結(jié)構(gòu)，并內(nèi)置前置放大器，放大微弱信號并實(shí)現(xiàn)阻抗變換，從而使傳感器具有量程小、靈敏度高、抗干擾性好等特點(diǎn)。這類傳感器已廣泛用于脈搏、管壁壓力波動等微小信號的檢測，因此，迫切需要一種簡便的測量裝置測量傳感器的性能。
為了解決微壓力傳感器靈敏度和非線性的矛盾，在結(jié)構(gòu)上，綜合梁膜結(jié)構(gòu)與平膜雙島結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，采用雙島-梁結(jié)構(gòu)。島區(qū)的面積不是按比例放大或縮小。首先，為了增加靈敏度，應(yīng)盡可能減小窄梁區(qū)的長度和寬度。因?yàn)閺膶α?膜-島結(jié)構(gòu)的有限元分析和近似解析分析中發(fā)現(xiàn)，減小窄梁區(qū)的長度和寬度可以明顯地使梁上的應(yīng)力增大。并且當(dāng)中間窄梁的長度約為兩邊窄梁長度的2倍時(shí)，器件的線性度最好。
雖然有雙島限位結(jié)構(gòu)，但在高過載情況下，硅膜將首先從島的邊區(qū)和角區(qū)破裂。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的島膜結(jié)構(gòu)都是采用常規(guī)的有掩模的各向異性濕法腐蝕，從硅片背面形成硅膜和背島。硅膜是晶面，邊框和背大島側(cè)面都是晶面，夾角為54.74°的銳角。根據(jù)力學(xué)原理，在角區(qū)存在應(yīng)力集中效應(yīng)，使硅膜在正面或背面受壓以后，角區(qū)會具有應(yīng)力的極值，因此破裂首先從該處發(fā)生。引入應(yīng)力勻散結(jié)構(gòu)以后，使角區(qū)變成具有一定曲率的圓角區(qū)，使該區(qū)的應(yīng)力極值下降。在硅膜與邊框或背島的交界處要形成有一定曲率半經(jīng)的緩變結(jié)構(gòu)，采用一般的常規(guī)各向異性濕法腐蝕是無法實(shí)現(xiàn)的。為此，采用了掩模-無掩模各向異性濕法腐蝕技術(shù)。
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