微壓力傳感器的工作原理詳解

微壓傳感器在測(cè)量過(guò)程中，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，同時(shí)通過(guò)電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，這樣的過(guò)程就是微壓傳感器進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程。

對(duì)于微壓傳感器來(lái)說(shuō)，靈敏度和線性度是微壓力傳感器重要的兩個(gè)性能指標(biāo)。為了制作出能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的傳感器，必需探索出一種微壓力傳感器靈敏度和線性度的有效仿真方法。實(shí)際的研究中，發(fā)現(xiàn)一種基于對(duì)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。通過(guò)這一方法實(shí)現(xiàn)了在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)不同壓力值下對(duì)傳感器電壓輸出值的估計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)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(lèi)傳感器采用壓電單晶片結(jié)構(gòu)，并內(nèi)置前置放大器，通過(guò)放大器放大微弱信號(hào)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(lèi)傳感器已廣泛用于脈搏、管壁壓力波動(dòng)等微小信號(hào)的檢測(cè)。但與此同時(shí)，對(duì)于微壓傳感器度的檢驗(yàn)這一技術(shù)難題，就迫切需要簡(jiǎn)便的測(cè)量裝置測(cè)量該類(lèi)型傳感器的性能。

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(zhǎng)度和寬度。因?yàn)閺膶?duì)“梁-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(zhǎng)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(zhǎng)度約為兩邊窄梁長(zhǎng)度的2倍時(shí)，器件的線性度好。雖然有雙島限位結(jié)構(gòu)，但在高過(guò)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(huì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。為此，采用了掩模-無(wú)掩模各向異性濕法腐蝕技術(shù)。