压阻式mems压力传感器的原理与分析 theory and analysis of a mems piezoresistive pressure sensor.pdfVIP

廑隆霭蝴醛瞒蓬劫德慰器蚴原理岛锄辑 一(韩国全北国立大学，全罗北道 全北561782)郭成锐7林崎谢 要：介绍了一种压阻式MEMS压力传感器的工作原理，该装置由玻璃支 座、单晶硅衬底及PZT薄膜构成，压阻薄膜连接组成惠斯登电桥，以 取得更高的电压灵敏度和低温度敏感性。使用有限元分析软件AN． SYS对单晶硅衬底的轴对称模型进行了仿真分析，以达到优化设计的 目的。 关键词：MEMS；压力传感器；有限元分析 0前言 考虑性能和工艺可行性这两个因素。图1是该传感 器结构示意图[11． MEMS(Micro—Electro—MechanicalSvstems)是微 机电系统的缩写，MEMS主要包括微型机构、微型传 感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它 是在融合多种微细加工技术。并应用现代信息技术 的必威体育精装版成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 压力传感器是用来测量流体或气体压力的大批量 规模生产的计量或传感元件。微压力传感器在整个 · ● ． _ MEMS行业，无论是设计研究还是产业应用中都占 主要地位。 本文应用现代微电子技术，在单晶硅片的特定 图1 压阻式压力传感器结构示意图 晶向上，制成应变电阻并且将它们连接构成惠斯顿 其中1、压阻薄层条敏感元件；2、向上的压力； 电桥，同时利用半导体材料的压阻效应和硅的弹性 3、向下的压力；4、衬底硅元件，其1电阻率随应力 力学特性，用集成电路工艺研制体积小、灵敏度高、 的变化而变化： 精度高、动态特性好、耐腐蚀、零位小的固态压阻压 压阻效应就是对于金属或半导体材料，若沿它 力传感器。制作过程中由于硅是一种各向异性材 的某一晶面加以压力或拉力时，其晶格内部将产生 料，不同晶向的材料参数不一样，理论设计往往与 畸变，这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化， 实际有很大差别。本文利用ANSYS软件对单晶硅进一步导致载流子相对能量的改变。从而引起晶体 衬底的轴对称模型进行分析、模拟，以实现硅微结 固有电阻率变化的物理现象。由于导电体的电阻 构的合理设计，减少物理实验的过程，缩短研制周 为：R=p上，一般的电阻变化率与压力的关系由下式 期，以达到优化设计的目的。 S (1)表示[2]： 1 压阻式MEMS压力传感器工作原理 △p#=乞仃驰z吒z (1) ＆．1 压阻式压力传感器的性能与结构和制造工艺 其中，△p“为电阻变化率；7r眺。为压阻系数；盯为 有着密切的关系，而传感器基本结构的确定应同时 压力：金属或半导体材料由于其电阻率的变化而导 屯蚤巡i基 EUiGrRONlcTEST 万方数据 致的电阻相对变化为： 阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元 模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分 ”2。l…‘。‘ (2) 譬：吼叩q吒