作者:   發(fā)布時間:2014/6/10 9:47:45   瀏覽次數(shù):2259

壓阻型微壓力傳感器的設計

　 l 引言

　　壓力傳感器應用廣泛，例如汽車中的多路壓力測量(如空氣壓力測量和輪胎系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的壓力測量)、環(huán)境控制(如加熱、通風和空氣調(diào)節(jié))中的壓力測量、航空系統(tǒng)中的壓力測量以及醫(yī)學中動脈血液壓力測量等。這里將在傳統(tǒng)壓力傳感器中使用一種新原理一介觀壓阻效應口，即在共振隧穿電壓附近，通過4個物理過程，將一個微弱的力學信號轉化為一個較強的電學信號。用基于介觀壓阻效應的共振隧穿薄膜替代傳統(tǒng)的壓阻式應變片作為敏感元件，通過理論分析和仿真計算驗證了該結構對傳感器靈敏度、固有頻率的影響，從理論上證明了介觀壓阻效應原理可以提高壓力傳感器的靈敏度，擴大其測量頻率的范圍。

　　2 介觀壓阻效應及GaAs，AlAs/InGaAsDBRT結構薄膜

　　介觀壓阻效應的定義為“等效電阻的應力調(diào)制”，等效電阻是對共振隧效應的一種具體描述。由4個物理過程組成：①在力學信號下，納米結構中的應力分布將發(fā)生變化；②一定條件下應力變化可引起內(nèi)建電場的產(chǎn)生；③內(nèi)建電場將導致納米帶結構中量子能級發(fā)生變化；④量子能級變化會引起共振隧穿電流變化。簡言之，在共振隧穿附近，通過上述過程，可將一個微弱的力學信號轉化。為一個較強的電學信號，體現(xiàn)出較大的壓阻系數(shù)。這里所用的介觀壓阻效應元件為GaAs/A1As/InGaAs DBRT結構薄膜納米級窄帶隙材料。隨著外部壓力引起的拉伸應變的變化(如圖1所示)，DBRT結構的共振隧穿電流和阻抗顯著變化。并且，阻抗應變輸出可由外部電壓有效調(diào)節(jié)。其優(yōu)點是靈敏度高、靈敏度可調(diào)、靈敏度隨溫度變化小。

量子阱外加偏壓前后示意圖

　　3 傳感器結構設計及力學分析

　　所設計的壓阻式壓力微傳感器，其制法是將N型硅腐蝕成厚10～25μm的膜片，并在一面擴散了4個阻值相等的P型電阻。硅膜片周邊用硅杯固定，則當膜片兩面有壓力差時，膜片即發(fā)生變形，從而導致電阻變化。用微電路檢測出這種電阻變化，通過計算即可得出壓力變化如圖2所示。

周邊固支圓平膜片傳感器結構示意圖

壓阻型微壓力傳感器的設計

　　計算時假設：小撓度理論；壓力是均勻作用于平膜片表面。由平膜片的應力計算公式可知：

公式

　　當r<0．635R時，σ>0；

　　同樣，當r=0．812R時，σT=0，且σr<0，如圖3所示。在圓形硅膜片上，沿[110]晶向，在0．635R半徑內(nèi)外各擴散2個電阻，并適當安排擴散的位置，使得σn=一σro，則有(△R／R)i=一(△R/R)

周邊固支圓平膜片的表面應力示意

　　這樣即可組成差動全橋電路，測出壓力P的變化。式中σri，σro分別為內(nèi)、外電阻上所受徑向力的平均值；(△R／R)i，(△R/R)分別為內(nèi)、外電阻的相對變化。

　　根據(jù)膜的結構與應力計算公式，推出被測壓力與應變片測出的應變關系：

公式

　　式中：μ為硅材料的泊松比，μ=O.35；R,r，h分別為硅膜片的有效半徑，計算半徑，厚度；E為硅材料的模量，E=8．7Gpa；P為作用于平膜片上的壓力；ω為平膜片的撓度；

　　經(jīng)過分析，綜合考慮設計的要求，初步設定：h=20μm，R=200μm。其固有頻率可以按下式計算

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標簽:
壓力傳感器

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