高灵敏压力传感器过载保护结构设计

2018-11-5 15:27:14

1406 压力传感器

　　摘要：采用微机电系统（ MEMS）牺牲层技术制作的压力传感器具有芯片尺寸小，灵敏度高的优势，但同时也带来了提高过载能力的难题。为此，利用有限元法，对牺牲层结构压阻式压力传感器弹性膜片的应力分布进行了静态线性分析和非线性接触分析。通过这两种分析方法的结合，准确的模拟出过载状态下传感器的应力分布。在此基础上给出了压力传感器的一种结构设计方法，从而可使这种压力传感器过载保护能力提高180% ～ 220%。
　　采用MEMS 技术的小量程、高灵敏压力传感器通常有平膜、岛膜、梁膜等结构，在设计过载保护时，一般采用凸台等方法实现，形成方法有背部刻蚀技术、硅直接键合（ SDB）技术、玻璃刻蚀技术等。然而这些结构的腔体尺寸较大，进一步提高灵敏度受到限制，而且降低了硅片利用率，增加了制造工艺的复杂度，提高了生产成本。目前小量程、高灵敏压力传感器的研究热点集中在牺牲层结构压力传感器，这主要是因为牺牲层结构压力传感器弹性膜片很薄，厚度可做到2 μm，甚至更薄。在这样薄的结构上，如果（采用扩散硅或多晶硅薄膜作为牺牲层结构压力传感器的应变电阻，其厚度相对较大，对弹性膜片应力分布影响很大，不利于牺牲层结构压力传感器的性能优化，因此采用多晶硅纳米薄膜制作应变电阻更能发挥牺牲层技术的优点。
　　通常压力传感器的应变电阻是在单晶硅片上扩散或注入杂质的方式实现，为了改善温度特性，后来也采用了多晶硅薄膜，但普通多晶硅薄膜的应变因子较小，不利于提高灵敏度。最新研究结果表明，多晶硅纳米薄膜具有显着的隧道压阻效应，表现出比常规多晶硅薄膜更优越的压阻特性，重掺杂条件下其应变因子仍可达到34，具有负应变因子温度系数，数值小于1 × 10 －3 /℃，电阻温度系数可小于2 × 10 －4 /℃。因此，在牺牲层结构压力传感器上，采用多晶硅纳米薄膜作应变电阻，可以提高灵敏度，扩大工作温度范围，降低温度漂移。然而，牺牲层结构非常薄，如何提高传感器的过载能力显得尤为重要。对此，本文在保证传感器满量程范围内线性响应的前提下，调整牺牲层厚度，通过弹性膜片与衬底的适当接触来有效提高传感器的过载能力。
　　1 牺牲层结构压力传感器
　　牺牲层结构压力传感器是指弹性膜片利用牺牲层技术制作而成的压力传感器，结构示意图如图1所示，其中AB（ A'B'）为膜片宽度a，AA'（ BB'）为膜片长度b，H1为膜片厚度，H2为牺牲层厚度。

图1 牺牲层结构压力传感器

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