微壓力傳感器要如何解決其靈敏度和非線性的矛盾?
微壓力傳感器要如何解決其靈敏度和非線性的矛盾?
微壓力傳感器發(fā)展迅速,新研制出的一類傳感器采用壓電單晶片結(jié)構(gòu),并內(nèi)置前置放大器,通過放大器放大微弱信號并實現(xiàn)阻抗變換,從而使傳感器具有量程小、靈敏度高、抗干擾性好等特點。這類傳感器已廣泛用于脈搏、管壁壓力波動等微小信號的檢測。但與此同時,對于微壓傳感器精準度的檢驗這一技術(shù)難題,就迫切需要簡便的測量裝置測量該類型傳感器的性能。
為了解決微壓力傳感器靈敏度和非線性的矛盾,在結(jié)構(gòu)上,綜合梁膜結(jié)構(gòu)與平膜雙島結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,采用雙島-梁結(jié)構(gòu)。島區(qū)的面積不是按比例放大或縮小。首先,為了增加靈敏度,應盡可能減小窄梁區(qū)的長度和寬度。因為從對“梁-膜-島”結(jié)構(gòu)的有限元分析和近似解析分析中發(fā)現(xiàn),減小窄梁區(qū)的長度和寬度可以明顯地使梁上的應力增大。并且當中間窄梁的長度約為兩邊窄梁長度的2倍時,器件的線性度最好。雖然有雙島限位結(jié)構(gòu),但在高過載情況下,硅膜將首先從島的邊區(qū)和角區(qū)破裂。這是因為傳統(tǒng)的島膜結(jié)構(gòu)都是采用常規(guī)的有掩模的各向異性濕法腐蝕,從硅片背面形成硅膜和背島。硅膜是晶面,邊框和背大島側(cè)面都是晶面,夾角為54.74°的銳角。
微壓力傳感器在測量過程,即壓力直接作用在傳感器的膜片上,使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻發(fā)生變化,同時通過電子線路檢測這一變化,并轉(zhuǎn)換輸出一個對應于這個壓力的標準信號得過程。
對于微壓力傳感器來說,靈敏度和線性度是微壓力傳感器最重要的兩個性能指標。為了制作出能夠滿足實際應用需求的傳感器,必需探索出一種微壓力傳感器靈敏度和線性度的有效仿真方法。實際的研究中,發(fā)現(xiàn)一種基于對壓阻式壓力傳感器薄膜表面應力的有限元分析(FEA)和路徑積分的仿真方法。通過這一方法實現(xiàn)了在滿量程范圍內(nèi)不同壓力值下對傳感器電壓輸出值的精確估計,在此基礎上對壓力傳感器的靈敏度和線性度進行了有效仿真。