大量程SOI压阻式压力传感器设计.pdf

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1、2015芷仪表技术与传感器2015第7期InstrumentTechniqueandSensorNo．7大量程SOI压阻式压力传感器设计张瑞，梁庭，刘雨涛，王心心1,2，王涛龙，熊继军’(1．中北大学。仪器科学与动态测试教育部重点实验室。山西太原030051；2．中北大学，电子测试技术国防科技重点实验室，山西太原030051)摘要：文中设计了一种浅凸台结构的SOI压阻式压力传感器。这种膜片结构解决了由于压力量程扩展导致传感器的灵敏度和线性度无法同时满足使用要求的问题。考虑电阻的设计约束以及浅凸台制作过程中的光刻和刻蚀偏差，采用U型电阻保持高灵敏度和线性度。利用ANSYS软件模拟了膜片结构的力

2、学性能，验证了理论分析的正确性；仿真优化了电阻的形状和位置，预估了传感器的性能。介绍了敏感单元的加工工艺。设计的传感器灵敏度为93．4V／(V·kPa)，非线性误差小于0．22％，可实现对量程高达10MPa压力的测量。关键词：SOI压阻式压力传感器；有限元分析(FEA)；浅凸台结构中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002-1841(2015)07-0021-03DesignofPiezoresistiveSOIPressureSensorforWideMeasurementRangeZHANGRui，LIANGTing，一，LIUYu．tao，WANGXin．xin，WANGT

3、ao—long，XIONGJi-jun，(1．KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(NorthUniversityofChina)，MinistryofEducation，Taiymm030051，China；2．ScienceandTechnologyonElectronicTest&MeasurementLaboratory，NorthUI-iversityofChina，Taiyuan030051，China)，Abstract：ApiezoresistiveSOIpressuresensorwithashal

4、low—bossconfigurationwasdesigned．Thissensorsolvedthecontra—dictionbetweensensitivityandlinearityformeasurementrangeextension．U—shapedpiezoresistorswereadoptedbytakingdesignre—straints，photolithographyandetchingdeviationforshallow—bossstructurefabricationintoaccount．Inordertoverifythetheoreticalanal

5、ysis，ANSYSsoftwarewasconductedtosimulatethemechanicalpropertiesofdiaphragmstructure．Simulationresultsalsowereusedtooptimizelocationandgeometryofpiezoresistorsandevaluatetheperformanceofthesensor．ProcessflowWaspresented．Thesensitivityofthedeviceis93．4ON／(V·kPa)andthenonlinearityerrorislessthan0．22％．

6、，I’hedevicecanrealizepressuremeasurementwithintherangeof10MPa．Keywords：piezoresistiveSOIpressuresensor；finiteelementanalysis(FEA)；shallowbossstructure0引言U(PM)一U(0)U(PM)S=在石油化工、自动化等高温领域，压力测试的量程不断扩PP展⋯。SOI(绝缘体上硅)材料在高温环境下的电学和力学性能式中：Ui为满量程输入；P为施加在芯片表面的最大压力；优异，很适合用来制造耐高温器件。MEMS压阻式传感器加U(P)为相应的输出信号，U(P)越大

7、，传感器的灵敏度越高。工工艺简单，信号转换易实现，线性度好。因此，研制大量程SOI压阻式压力传感器利用压敏电阻的压阻效应测量力敏SOI压阻式压力传感器具有重要的现实意义。膜片的应力变化。电阻连接形成惠斯登电桥，将被测量转换为对传统的平膜压力传感器来说，当测量范围增大后，灵敏电信号输出。图1为惠斯登电桥连接示意图。度将会受到很大影响。为了测量较高的压力，力敏膜片厚度应当适量增加使其工作在线性范围内；当被测压力变