MEMS氮化钛谐振式压力传感器研究.pdf

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1、36传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2010年第29卷第1期MEMS氮化钛谐振式压力传感器研究杨川，郭灿(西安交通大学机械工程学院精密工程研究所，陕西西安710049)摘要：提出了一种基于TiN双谐振梁结构的MEMS谐振式压力传感器，利用TiN谐振梁的谐振频率与被测压力的关系进行压力测量。针对传感器的敏感结构建立了数学模型，通过理论分析和ANSYS有限元软件的模拟，得出了谐振梁长度的变化范围和谐振梁的结构参数，并确定了TiN谐振梁在矩形压力膜上方的最佳位置

2、。这对传感器的结构设计具有重要的指导意义。关键词：微机电系统；氮化钛；敏感结构；位置优化；谐振式压力传感器中图分类号：TP212．12文献标识码：A文章编号：1000-9787(2OLO)01-0036-03ResearchonMEMSTiNresonantpressuresensorsYANGChuan，GUOCan(ResearchinstituteofPrecisionEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China)Abstract：Astruct

3、ureofTiNdoubleresonantbeamspressuresensorisproposed，thepressureismeasuredthroughtherelationbetweentheresonant~equencyofTiNresonantbeamsandthemeasuredpressure．Themathsmodelofsensitivestructuresoftheresonantsensorisestablished，throughtheanalysisandnumerationfro

4、mthetheory，andsimulationbytheANSYSsoftware，thevariedextensionofthelengthandtheoptimizationofthebeamsareeducedandtheoptimalpositionoftheTiNresonantontherectanglepressuremembraneisconfirmed．Andthisisveryimportanttothedesignofthesensors’structure．Keywords：MEMS；T

5、iN；sensitivestructure；positionoptimized；resonantpressuresensors0引言就比较大，从而有利于提高谐振式压力传感器的精度。本基于MEMS技术基础的微结构谐振梁式压力传感器，文通过理论分析和仿真分析对基于TiN材料的谐振梁结构除具有经典谐振式传感器的优良性能外，还具有体积小、重参数进行了优化，并分析了谐振梁在压力膜片上方的最佳量轻、功耗低、响应快、与大规模集成电路工艺兼容、易批量布置位置。生产等优点。谐振式压力传感器利用被测压力改变谐振梁1传感器敏感结构应力

6、分析的谐振频率，通过测量谐振梁谐振频率的变化来问接地测传感器的敏感结构包括矩形压力膜和TiN谐振梁，矩量压力，因此，传感器的输出信号是频率信号，无须经过A／形压力膜直接感受外界的被测压力，在膜片的上方制作有D转换就可方便地与计算机接口，组成高精度的测量控制由硅岛固支的TiN谐振梁，间接感受压力的作用。TiN谐系统，而且，不会因为传输而降低其精度，适合于长距离的振梁封装于真空之中，利用TiN谐振梁的谐振频率与被测信号传输。正是由于谐振式压力传感器具有上述的独特优压力的关系进行压力测量。传感器的结构如图1所示。点，所

7、以，对谐振式压力传感器的研究在国际上受到了广泛的重视”。因为氮化钛(TiN)材料的固有谐振频率比较高，在单位外加压力作用下采用TiN材料制作的谐振梁具有谐振频率的频移大的特点，因此，有利于传感器精度的提高。同时，TiN的热传导系数比较低，用同样的激励电压即同样的图1谐振敏感结构示意图激励功率，在TiN谐振梁中产生的温升和谐振频率的变化Fig1Diagramofresonantsensitivestructure收稿日期：2009-07-01基金项目：国家“863”计划资助项目(2007AA042325)；陕西省科

8、学技术研究发展计划资助项目(2007K05-04)第1期杨JIi，等：MEMS氮化钛谐振式压力传感器研究3722O图2是传感器谐振敏感结构坐标系示意图。将会产生突变现象，而且，越靠近膜片边缘突变现象越5明0505O5显；而当梁横跨曲线上的零应力点-+0．6026A时，谐振梁的一部分受到拉伸应力，另一部分受到压缩应力，这时谐振梁处于一种应力不稳定状态，这是应当避免的。由此可