MEMS压力传感器论文

基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究

学院：机械与材料工程学院

专业班级：机械(专研)-14

学号：*************

学生姓名：**

指导教师：***

撰写日期：2015年1月6日

目录

1.MEMS传感器概述 (1)

1.1 MEMS传感器研究现状 (1)

1.2 MEMS压力传感器分类 (1)

1.3MEMS压力传感器应用 (2)

2.基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究 (2)

2.1 SOI压力传感器简介 (2)

2.2 SOI压力传感器的理论及结构设计 (3)

2.3 SOI压力传感器总结 (6)

3.MEMS压力传感器发展趋势 (7)

1.MEMS传感器概述

1.1 MEMS传感器研究现状

进入21世纪以来，在市场引导、科技推动、风险投资和政府介入等多重作用下，MEMS传感器技术发展迅速，新原理、新材料和新技术的研究不断深入，MEMS传感器的新产晶不断涌现。目前，MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。

其中，MEMS技术也是伴随着硅材料及其加工技术、IC技术的成熟而发展起来的，它的运用带来了传感器性能的大幅度提升，其特点主要包括:1)质量和尺寸的减少;2)标准的电路避免了复杂的线路和外围结构;3)可以形成传感器阵列，获取阵列信号;4)易于处理和长的寿命;5)低的生产成本，这包括低的能源消耗，较少的用材;6)可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料,其中压力传感器是影响最为深远且应用最为广泛的MEMS传感器。

1.2 MEMS压力传感器分类

MEMS传感器的发展以20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计为开端。压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的MEMS传感器，其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。从信号检测方式划分，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式和谐振式等，其特点如下:

1)压阻式:通过测量材料应力来测量压力大小，它具有体积小、全动态测量范围的高线性度、较高的灵敏度、相对较小的滞后和蠕变的特点，此类型传感器多采用惠斯通电桥来消除温度影响；

2)电容式:通过测量电容变化来测量压力大小，相比较压阻式的传感器，它具有很高的灵敏度、低温度敏感系数、没有滞后、更高的长期稳定性，但同时它也有更高的非线性度、更大的体积，需要更复杂的检测电路和更高的生产成本；

3)谐振式:通过测量频率或频率的微分变化来测量压力大小，它可以通过诸如热、电磁和静电效应来改变膜片频率，并且可以通过真空封装来提高传感器精度；

4）压电式：压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传

感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。

此外，还有光纤压力传感器、多维力传感器等，但它们大多造价高昂或有技术局限，应用范围不如以上4种广泛。

1.3 MEMS传感器应用

MEMS压力传感器可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域。汽车工业采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。在生物和医学领域，压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。在航天领域，MEMS压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量。

2.基于MEMS实现SOI压力传感器的设计研究

2.1 SOI压力传感器简介

MEMS技术逐步成为跨学科高新技术研究领域，形成了包括各种微电子、微机械、微光学及各种数据处理单元的微系统，其中以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术发展迅速。而在微电子制造工艺基础上，硅微结构的MEMS 加工工艺吸收融合其他加工工艺实现各种微机械结构，应用MEMS技术研制新型的硅氧化物绝缘体(SOI)压力传感器，性能更加优良、稳定性更好、可靠性更高。单晶硅SOI压力传感器是一种新型的半导体压力传感器，它比扩散硅压力传感器具有更高的工作温度，比多晶硅高温压力传感器具有更高的灵敏度，这主要得益于它用单晶硅材料和SOI结构作应变电阻，单晶硅材料压阻系数高，并且具有相当高的纵向和横向灵敏度因子，囚此有利于设计性能优良的压阻电桥，保证传感器有很高的灵敏度和温度特性。

随着微电子技术和MEMS技术、设计技术和材料技术的不断发展，SOI压力传感器将会在现有产晶和技术的基础上进一部完善和提高，通过加速研究成果的产业化的发展，将逐步满足军事、能源、航大、交通、工业等相关市场的需求。

2.2 SOI 压力传感器的理论及结构设计

2.2.1 SOI 压力传感器的理论设计

设计制作单晶硅SOI 压力传感器的基本原理是硅单晶的压阻效应，SOI 材料的压阻效应是压阻式压力传感器实现压力测量的物理基础，即SOI 材料受到应力作用时，其电阻或电阻率发生明显变化的物理现象，使得主要晶向的压阻效应与压阻系数张量形成统一定关系。

当单晶硅结构不受应力时，对于长度为了l 0，横截面积为s 0，电阻率为ρ

0的样晶，其电阻与电阻率为：l s R 00

00ρ= (1)

对上式进行全微分，可以求得长度、横截面积和电阻率二个参数的变化对电阻值变化的影响，用相对变化率表示为:s r l R ds dr dl dR

0000++= (2)

式中，l dl 0

为纵向相对变化率，称为纵向应变ε，它与应力δ成正比，因此有：E εδ= (3) 式中：E ——材料的杨氏模量；

若样晶的截面半径为r 0，则横向应变为：s r ds

dr 0

0= (4) 横向应变与纵向应变的比值为材料泊松比υ，由于形变过程中，纵向应变的

变化趋势与横向应变相反，故二者的比值应取负号，即:l r

dl dr

00

=υ (5)

其中式（2）的ρρ

d 为电阻率的相对变化率，由硅材料的压阻系数π决定，即：

ρρ

0d =πσ (6) 而在外力作用下，单晶硅的压阻系数π是一个四阶张量。由于硅单晶是立方晶体，当坐标轴取晶轴方向时，压阻张量只有三个独立分量，它的形式为: