压力传感器芯片设计及温度分析

2018-11-13 10:55:36

2431 压力传感器半导体

　　摘要：设计了双岛梁结构量程是200 Pa 的超微压力传感器，进行了理论分析与计算，并对模片上的电阻条的宽度和长度进行了研究，为传感器惠斯通电桥的设计提供了重要的依据。通过有限元仿真软件，对传感器进行了温度分析，探索出了传感器的工作温度范围。最后，对传感器芯片尺寸进行了相关分析，发现随着尺寸增加和膜片厚度减小，纵向、横向、纵横应力差及Von Mises 应力均增加，但弯曲程度也相应增大，即灵敏度提高，线性度下降。

　　0 引言
　　为了设计200 Pa 量程的传感器，采用了双岛梁结构，此结构综合了平膜、梁膜、岛膜的优点，既保持了梁膜结构灵敏度高的特性，又吸收了平膜结构线性度好的优点。虽然双岛梁膜结构有着众多的优点，但由于其结构相对较为复杂，很难建立起分析模型，这为优化该种传感器结构参数、合理布置电阻条的位置及工艺方面的设计带来了困难。
　　为更准确地了解双岛梁膜芯片膜片的具体结构参数，如应变模的长度、厚度以及电阻条尺寸，文中进行了相关理论计算分析。并采用有限元方法研究了温度对传感器线性度和灵敏度的影响，最后对模片尺寸参数进行了对比分析。
　　1 工作原理及芯片的设计
　　1. 1 工作原理
　　压力传感器从原理上分有电容式、压阻式和谐振梁式3种。由于压阻式压力传感器，具有灵敏度高、线性度好和抗过载等优点，在微压力的测量上有着广泛地应用。文中设计的是200Pa 超微压力传感器，采用压阻式压力传感器进行分析研究。
　　压阻式压力传感器的工作原理是基于半导体硅的压阻效应的，单晶硅或多晶硅在受到拉力（或压力）作用时，其体积将发生变化，长度和横截面积发生改变，使其电阻值有一定的改变，这种由于长度或面积改变而使电阻改变的效应，称之为几何电阻效应。对于半导体硅材料而言，几何效应引起的电阻改变，相对于压阻系数改变引起的电阻改变是很小的。对于半导体硅材料，由于外界压力会引起材料内在应力的改变，而应力又会引起能带变化，使能谷能量产生移动，进而导致电阻率变化，这种效应称为压阻效应。在半导体中，由于压阻效应而引起的电阻的改变占主导作用。半导体材料在受到外界压力作用时，其电阻率的改变如式（ 1）所示。

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