内应力影响下表面微机械绝对压力传感器非线性研究

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随着MEMS新材料和新技术的不断出现,压力传感器向着小型化,集成化和智能化方向发展。压力传感器在消费电子产品,汽车工业,医疗设备等领域内的广泛应用,在低成本,小型化,可靠性,稳定性等技术指标方面对传感器产品提出了更高的要求。本文将详细介绍MEMS压力传感器的发展及应用,讲述硅微机械加工技术。以矩形薄板作为压力传感器弹性元件的近似理论模型,分别用弹性力学理论和板壳理论分析该板在小挠度弯曲和大挠度弯曲下的挠度和应力分布,为后续的有限元仿真提供理论参考。采用表面微加工技术制备压阻式压力传感器,实现批量化和低成本化生产。通过实验测量研究压力传感器输出的静态特性,通过有限元仿真探讨薄膜内应力影响下压力传感器的输出非线性。  本研究所涉及的多晶硅绝对压力传感器,采用由低压化学气相沉积法制备的低应力氮化硅(LS SiN)薄膜作为传感器芯片的弹性元件,并在LS SiN薄膜上沉积多晶硅电阻条作为应力敏感元件。为提高压力传感器的输出灵敏度,将弹性薄膜设计为长矩形。为充分利用多晶硅电阻的纵向压阻效应,将一对电阻条的一部分放到了薄膜的外面,以保证这两个电阻尽量处于膜的拉应力区域,将另一对电阻布置在膜的中心位置,完全处于膜的压应力区域。受压时,薄膜弯曲变形,带动一对电阻被拉伸,阻值变大,另一对电阻被压缩,阻值变小,在输入电压的作用下,可在惠斯通电桥输出端检测出与外加压力成一定关系的输出电压。同时在多晶硅电阻条的拐弯段开接触孔,溅射金属层,减小电阻的负压阻效应。  在激励电压3V供电时,测试设计量程为60 kPa的绝对压力传感器输出的静态特性和长期稳定性。利用有限元分析对压力传感器的弹性元件进行计算机模拟,内容包括不同内应力下模型表面的应力、挠度分布。比较仿真结果与理论计算结果。根据仿真结果得到不同薄膜内应力下压力传感器的输出—输入特性曲线,研究内应力对压力传感器输出非线性及灵敏度的影响,为表面微机械加工制作的绝对压力传感器在更宽领域的使用提供有力的理论支持和技术保障。
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