納米硅超微壓力傳感器設(shè)計(jì)研究.pdf

1、自20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著微機(jī)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展,壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用范圍日益廣泛。在工業(yè)自控、環(huán)保設(shè)備和醫(yī)療儀器等領(lǐng)域均對(duì)超微小壓力的測(cè)量提出了迫切需求,超微壓壓力傳感器的研究和開發(fā)具有重要意義和明顯價(jià)值。
　　 壓阻式壓力傳感器要實(shí)現(xiàn)超微壓測(cè)量,關(guān)鍵技術(shù)是要提高傳感器的靈敏度。提高壓阻式傳感器靈敏度一般有兩種途徑:一種是采用具有高應(yīng)變系數(shù)的材料作為敏感元件；另一種途徑便是采用合理的傳感器芯片結(jié)構(gòu),特別是對(duì)于MEMS壓阻式壓

2、力傳感器,不同的傳感器芯片結(jié)構(gòu)在相同的壓力下產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變分布有顯著的差別。
　　 氫化納米硅(nc—Si:H)是一種新型的半導(dǎo)體薄膜材料,它由各占薄膜體積百分比約50％的細(xì)微硅晶粒(晶粒尺寸2—10nm)和無(wú)序晶界界面組成,界面區(qū)厚度約為2—4個(gè)原子層厚。納米硅薄膜的壓阻系數(shù)明顯高于微晶硅和多晶硅的壓阻系數(shù),在一定晶態(tài)比條件下,可超過(guò)單晶硅壓阻系數(shù)。
　　 本文利用納米硅薄膜良好的壓阻特性,將其作為超微壓壓力傳感器的敏感

3、材料,并提出一種新型傳感器芯片結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出100Pa量程超微壓壓力傳感器,為設(shè)計(jì)超微壓力傳感器提供參考。
　　 首先用彈性力學(xué)和板殼理論對(duì)傳感器芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析,為力敏電阻在應(yīng)變膜上的布置提供理論基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn),島梁結(jié)構(gòu)綜合了平膜、梁膜、島膜的優(yōu)點(diǎn),既保持了梁膜結(jié)構(gòu)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),又吸收了平膜結(jié)構(gòu)線性度好的優(yōu)點(diǎn)。島與梁的結(jié)合,起到應(yīng)力集中的效果,提高了傳感器的靈敏度和線性度。
　　 其次,本文創(chuàng)新性地提出一種芯片結(jié)構(gòu)

4、:四島-梁-膜復(fù)合型結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比雙島—梁-膜型結(jié)構(gòu)具有更好的靈敏度、線性度和抗過(guò)載能力,更加適合作為超微壓壓力傳感器芯片使用。
　　 再次,本文采用有限元方法研究了四島—梁-膜芯片結(jié)構(gòu)膜片上感受到的應(yīng)變應(yīng)力分布情況,進(jìn)而找到應(yīng)變應(yīng)力最大值所在位置,實(shí)現(xiàn)電阻條的最佳放置。分析彈性膜片對(duì)器件性能的影響規(guī)律,進(jìn)一步對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn):在四島—梁-膜芯片上表面的中央及兩邊凸型梁處應(yīng)力達(dá)到極值,中央