微压力传感器参数设计及灵敏度分析

Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ＺＨＥＮＧ Ｗｅｉ—ｗｅｉｌ”，ＨＵ Ｘｕｅ—ｇｕａｎｌ，ＺＨＡＯ Ｇｕａｎｇ－ｘｉａ３ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｓｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ
对传感器的灵敏度的理论进行了详细的分析，得到了传感
器的灵敏度与应力和应变的关系，除提高扩散电阻的压阻系数 外，芯片结构对传感器灵敏度有很大的影响。在这里设计了双 岛梁结构，能大大提高传感器的灵敏度。
通过有限元仿真软件对传感器尺寸进行了详细地探索，分
析了膜片的厚度、岛的高度和梁膜片的长度对传感器性能的影 响。发现随着膜厚的增加，理论输出值逐渐减小，并且近似呈 线数规律下降。随着岛的高度的增加，传感器的灵敏度呈现下 降趋势，而抗过载能力和线性度却得到了提高。随着梁膜片边 长的增大，传感器的灵敏度和线性度都得到了提高。芯片参数 的分析，为传感器芯片的设计提供了重要的依据。
ｕ＝Ｋ杀紧嵩‰
硅膜片上产生的应变与应力值的大小和分布。
㈤
传感器灵敏度的主要影响因素有扩散电阻的压阻系数和
扩散电阻的压阻系数主要与电阻材料有关，在这里选用多
晶硅作为传感器的敏感材料，这是因为多晶硅与单晶硅相比具
有压阻系数高、耐高温、耐腐蚀和价格低廉等优点。 对于不同结构的芯片，将会产生不同的应力和应变分布， 所以在敏感材料确定之后，另一个重点工作就是选择传感器的 芯片结构。
。（１．Ｓｃｈｏｏｌ
２１５１２３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｏｆ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ
目
亭
６
轰
碘 杈 螺
巢膜片边－ｌ：ｃ／ｍｍ
圈８膜片上最大形变分布
参考文献：
圈７膜片上应力分布 ［１］
ＡＮＤＥＲＳＥＮ Ｐ Ｄ，ＪＯＲＧＥＮＳＥＮ Ｂ Ｈ，ＬＡＤＩＮＧＬ．Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒｅｓｉｇｈｔ—
表３梁膜边长对传感器性能的影响
［２］
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ
ｍａ．ｄ【ｅｔ．Ｔｅｃｈｎｏｖａｔｉｏｎ．２００４（２４）：３１１—３２０．
摘要：对传感器的灵敏度理论进行了详细分析，得到了传感器的灵敏度与应力和应变的关系。通过有限元仿真软件 对传感器的灵敏度和线性度进行了研究，分析了膜片的厚度、岛的高度和梁膜片的长度对传感器性能的影响，为传感器芯 片的设计提供了重要的依据。 关键词：传感器；灵敏度；理论分析；参数仿真
中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０７—００１５—０３
率随着被测介质的压力而增加或减小，从而使惠斯登电桥的４
收稿日期：２０１０—０９—１３收修改藕日期：２０１１—０４—２９
文中设计的传感器是低微压力传感器，要求在很小的外界
万方数据
１６
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｊｕｌ ２０
压力下传感器芯片应变膜上能够产生很大的应力，进而转化为 较大的电压输出。综合平膜、岛膜等结构，这里采用岛梁结构， 如图１所示。这种结构综合了双岛结构抗过载的优点，叉具有 梁膜结构灵敏度高的优点。而且设计出的双岛结构应力分布 的对称性良好，在中间位置将会出现正的极大应力，而在边缘 位置出现符号相反的负极大应力，将惠斯登电桥的两对电阻分 别放于中间与边缘。根据上面分析可知，将会产生最大的电压 输出，大大地提高了传感器的灵敏度，特别适合作于微压压力 传感器的芯片。所以通过原理分析，确定了采用多晶硅岛梁结 构作为传感器的芯片。 ２芯片结构仿真分析与研究 该部分主要对应变膜的厚度、双岛的高度及粱膜区边长等 参数对传感器性能的影响进行了探索。在每次分析中，都建立 了多个模型，进行相关研究。由于模拟软件无法直接计算出惠 斯登电桥的电压输出，间接地对纵横应力差进行分析研究，这 是因为纵横应力与电压输出成正比。在分析其线性度时，主要 分析最大的变形程度，进而分析其线性度和抗过载能力。 ２．１应力分布研究 在进行参数分析之前，先对传感器膜片上的应力分布进行 研究。找出膜片上应力最值处，从而确定电阻条放置位置，进 行惠斯登电桥设计。 分析了整个膜片上表面应力平面分布图”’．结果如图２所 示。通过分析，可以粗略地发现，应力的极值大概在膜片的中 间处和边缘处取得。 从图４和表１可以看出在应变膜面积固定的情况下，随着 膜厚的增加，理论输出值逐渐减小，并且近似呈线数规律下降。 因此，在强度允许的情况下，应该尽量减薄应变膜，以获得更高
０引言
个桥臂电压推动平稳，使电桥有电压输出，且输出的电压与外 在压力成正比。
微传感器一是ＭＥＭＳ设备中的主要产品，在已开发的 ＭＥＭＳ产品中，微传感器占到９０％…。微传感器的体积小、功 耗低、响应快，便于和信号处理部分集成以构成微传感器测试 系统，这些特性使其可以应用于汽车、航空航天、电机、医学、家 用电器、生物化学、环境检测等广阔领域。 在微传感器中，微压力传感器是其中一个主要的分支。而 目前微压力传感器的量程一般为１ ｋＰａ左右，更加微小的压力 很难进行测量Ｂｏ。因此，对微压力传感器的研究显得十分紧 迫。 传感器的灵敏度和线性度是传感器最重要的性能特征，特 别是对于超微压力传感器而言。文中为设计６００ Ｐａ量程的微 压力传感器，对传感器的灵敏度和线性度进行了一系列的探索
图１芯片结构示图
如果使用恒流源激励时，电桥的输出与力敏感电阻之间的 关系如式（１）：
如果使用恒压源激励，电桥的输出与力敏感电阻之间的关 系可表达为式（２）：
嘲篇揣
㈩
研究，采用双岛梁结构口１进行设计。对芯片结构的膜片厚度、
岛高及梁的尺寸进行了分析和仿真。 ｌ传感器灵敏度理论分析 如图ｌ所示，构成惠斯登电桥的４个扩散硅电阻，对称分 布在传感器芯片的膜片的力敏区域，其中２个电阻放于压应力 区，另２个电阻放于拉应力区域，使２对电阻感受到的应力的 符号相反，这样当芯片受到压力的作用时，膜片发生变形，应力 使载流子的运动状态发生改变Ｍ１，导致扩散硅的电阻值因电阻
８ｅＩｌＳＯｒ
Ｈｉｇｈ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｓｃｈｏｏｌ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
ｗ８８
ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ
ｐｏｒｔａｎｔ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ
ｓｅｎｓｏｒ
ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｉｒａ－
ｃｈｉｐ ｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ）ｒ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｐａｒｍｎｅｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｗｅｒｅ
￥ｔｒａｉｎ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｏｆ
ｓｅｎｓｏｒ
ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ，ｔｈｅ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｓｌａｎｄ
ｏｎ
ａｎｄ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｍ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｗｅ∞ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
压力，Ｐ吐
图６膜片上最大形变分布
万方数据
第７期
郑玮玮等：微压力传感器参数设计及灵敏度分析 表２岛高对传感器性能的影响
１７
斯登电桥就会有比较大的电压输出，对传感器的灵敏度而言是 有利的。 从图８可以发现，随着梁膜片边长的增加，芯片上的最大
弯曲变形变得更小，即传感器的线性度得到了提高，传感器的
抗过载能力得到了一定程度的提高。 因此，综合传感器的灵敏度和线性，梁膜片的边长都应该 尽量长些，这样对传感器的性能的提高能起到很大的作用。但 是需要注意的是，由于芯片的总体尺寸长度有限，梁膜边的长 从图可以看出在应变膜面积和岛的长度和宽度都固定的 情况下，随着岛高的增加，应力差逐渐减小，即理论输出值逐渐 减小，也就是传感器的灵敏度有所减小。岛高越大，应变膜的
。５ 口３ ０
图２膜片上应力分布
为了更加精确地找出极值出现的坐标，义定义一条路径， 即从膜片上表面左端中央点至右端中央点（沿Ｘ轴方向），分析 该路径上应力分布情况，结果如图３所示。通过图３，町以精确 地找出应』极值处的坐标位置，在坐标为０、Ｉ ５和３的位置处 出现了最大值。将电阻放置此处将会使惠斯甓电桥有最大的 电压输出，从而提高了传感器的灵敏度。 ２．２应变膜厚度对理论输出的影响 对模片厚度参数进行了分析，目的足找出模片的厚度对传 感器灵敏度的影响，使传感器的输出达到最大值。 以下分析中所采用的传感器芯片的长为４ ｒａｍ，宽为４
ｍｍ，
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５
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＋中间应力差—、、二＝、、
１００ １２０ １４ｔ）１６０ １：３０
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图５膜片上应力分布
４
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８０ １００ １２０ １４０ １６０ ｔ８０ ２００
应变膜长为３ ｍｍ、宽为３ ｍｍ，膜片的厚度从２０～７０斗ｍ不等， 每增加１０／ｘｍ制作１个模型，共建立了６个模型。图４为随着 厚度的变化，Ｘ轴处的Ｉｏ－。一ｏ－．Ｉ值的拟舍图．表１为通过分析等 到的相关数据。
度不宜过长，这样对后续电路的设计及封装将会带来一定的负
面影响。 ３结论
刚度就越大，但必须保证应变膜在受压时有一定的变形量，且
和衬底玻璃间有一个用于过载保护的间隙，所以岛高不能超过 边框的高度。 同时，从图６和表２，可以看出：随着岛高的增加，应变膜片 的最大形变也呈现下降趋势，这就意味着传感器的线性度有所 提高，而且抗过载能力得到了提高。 因此综合灵敏度和线性度考虑，在满足要求的条件下，应 该选择合适的岛高，才能保证传感器良好的性能。 ２．４梁膜片尺寸对传感器性能的影响 为了更加详细地了解传感器芯片的参数，对传感器膜片上 的梁膜结构进行了一系列的分析。在这里，固定了其他条件， 使梁膜片的边长从１ Ｉｎｎｌ到１．５ ｒｎｆｆｌ，第间隔０．１ ｒａｉｎ建立一个 模型，共建立了６个模型。研究的是梁膜片的长度对传感器性 能的影响情况，分析的数据依然是纵横应力差和膜片上的最大 形变。结果如图７、图８和表３所示。
２００５：２１０—２６７．
［６］Hale Waihona Puke Baidu
ＭＡＤＯＵ Ｍ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｍｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ．ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ．Ｂｏｃａ Ｒａ－ ｔｏｎ，１９９７．
从图７和表３，可以看出，随着梁膜片的边长的增加，中问 应力差和边缘应力差都呈现上升趋势，也就是说，在相同的外 在压力下，比较长的梁膜片能够有比较大的应力输出，通过惠
尹颞，杨恒。王文襄，等．抗高过载微压传感器．传感器技术。２００１， ２０（４）：４８—５１．
［３］吴宪平，胡美凤，罗桂隆，等．１ｋＰａ微机械结构微压传感器的研究． 仪器技术与传感器．１９９８（４）：ｌ一３． ［４］刘广玉，陈明．新型传感器技术及应用．北京：北京航空航天大学 出版社。１９９５：１—２８． ［５］ 李黎明．ＡＮＳＹＳ有限元分析实用教程．北京：清华大学出版社，
姜
槲 Ｒ 理
２０
３０
４０
５０
６０
７０
厚度／／ｚｍ
图４膜厚度对理论输出的影响
表１变膜厚度对理论输出的影响
ｍ女Ｒ捌
的输出值。 ２．３岛高对传感器性能的影响
ｌ 焉黑澄揣一
ｘ轴坐标／ｍｍ
在这部分的仿真中，岛高从８０ ｐ，ｍ到２００斗ｍ，每间隔 ２０“ｍ建立一个模型，共７个模型行模拟，其他条件相对固定， 模拟结果如罔５、图６和表２所示。
２０１１年 第７期
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１ｌ Ｎｏ．７
www.grain17.com
微压力传感器参数设计及灵敏度分析
郑玮玮ｋ２，刘学观１，赵光霞３
（１．苏州大学电子信息学院，江苏苏州２１５１２３；２．镇江高等专科学校电子与信息系，江苏镇江２１２００３； ３．镇江高等职业技术学校机电工程系，江苏镇江２１２０１６）