压阻式微压力传感器结构参数设计.pdf

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1、压阻式微压力传感器结构参数设计王峰。等压阻式微压力传感器结构参数设计DesignoftheStructuralParametersforPiezoresistiveMicroPressureSensor互碑谭晓差旅敏磊(北方工业大学机电工程学院，北京100041)摘要：在研究压阻式微压力传感器的结构参数的基础上，根据传感器的灵敏度与线性度特点，设计了一种量程为200kPa的微压力传感器。在满足计算要求的条件下，对该传感器的每一个参数进行ANSYS仿真；并根据灵敏度、线性度及制作工艺的难易程度选择这些参数的最佳值。仿真结果表明，该设计方法对微压力

2、传感器的研制具有一定的参考价值。关键词：微压力传感器灵敏度线性度ANSYS仿真可靠性中图分类号：TP212+．I文献标志码：AAbstract：Basedonthestructuralparametersofthepiezoresistivemicropressuresensor。accordingtothesensitivityandlinearityofthesensor，themicropressuresensorwith200kParangeisdesigned．Undertheconditionofmeetingthecalculat

3、ingrequirements，eachparameterissimulatedbyANSYS，andtheoptimumvaluesoftheseparametersareselectedinaccordSLrlCewiththesensitivity，linearityandthedegreeofdifficultyforfabricatingprocess．Theresultsofthesimulationshowthatthedesignmethodpossessesacertainreferencevalueforresearchin

4、gandmanufacturingmicropressuresensors．Keywords：MicropressuresensorSensitivityLinearityANSYSsimulationReliability0引言作为微型机电系统(micro．electromechanicalsystems，MEMS)设备的主流产品，微传感器具有体积小、响应快、功耗低、可靠性高、易于集成和智能化等特点．现已被广泛应用于家用电器、汽车、生物化学、航天航空、医学、环境检测等领域。微压力传感器是微传感器的一个重要分支⋯。目前，微压力传感器的灵敏度普遍

5、偏低、线性度较差，因此，研究如何提高传感器的灵敏度、改善其非线性具有重要意义[2】。提高和改善传感器特性的方法除了采用高应变系数材料作为敏感元件之外，还可以对敏感元件的结构尺寸进行优化或对电阻条的位置及尺寸进行优化。本文设计了一种量程为200kPa、采用E型结构的微压力传感器。由于该结构综合了平膜与岛膜结构的优点，所以它既具有岛膜结构灵敏度高的特点，又具有平膜结构线性度好的特点[3]。1压阻微传感器工作原理由于硅具有良好的变形能力与显著的压阻效应，北京市自然科学基金资助项目(编号：3122014)。修改稿收到日期：2012—04—17。第一作者

6、王峰(1985一)，男，2012年毕业于北方工业大学机械制造及自动化专业，获硕士学位；主要从事压力微传感器设计与加工方面的研究工作。《自动化仪表》第34卷第3期2013年3月所以在制作压阻式微传感器时选用硅作为材料。压阻式微压力传感器的工作原理是利用硅的压阻效应，即当在硅上施加某一方向的压力或拉力后，其材料的内部结构将发生变化。这一变化将造成内部结构扭曲，进而带来载流子相对能量的变化，使硅的固有电阻率发生变化，从而改变电阻。这种由压力造成的电阻变化通常采用惠斯通电桥进行测量。压阻式微传感器的结构与惠斯通电桥示意图如图1、图2所示【41。图1压阻

7、式微压力传感器横截面图Fig．1Crosssectionofpiezoresistivemicropressuresensor图2惠斯通电桥示意图Fig．2TheWheatstonebridge83压阻式微压力传感器结构参数设计王峰，等图2中，110表示P型硅的100晶面的方向．此时P型硅压阻系数最大；与电阻条平行的or．是纵向应力，与其垂直的矿，是横向应力。当无压力作用在薄膜上时，其输出电压为零；当有压力作用在薄膜片上时，R，、R，电阻处于拉应力区域，R：、R。电阻处于压应力区域，这2对电阻感应到的应力方向相反。经分析可知[2]。R，～R4这

8、4个电阻变化值相等，R。、R，电阻变化为正值，R：、R。为负值，其输出电压为：Vo-蒜R筹R斋K=2蒜1斋V=(1+尺2)(3+R4)’i(+a1一a