微力无边

微压力传感器参数设计及灵敏度分析

郑玮玮;刘学观;赵光霞

【摘要】对传感器的灵敏度理论进行了详细分析,得到了传感器的灵敏度与应力和

应变的关系.通过有限元仿真软件对传感器的灵敏度和线性度进行了研究,分析了膜

片的厚度、岛的高度和梁膜片的长度对传感器性能的影响,为传感器芯片的设计提

供了重要的依据.%Sensitivitytheoreticalanalysisofnsorwascarriedoutin

ationshipbetweennsitivityandstressandstrainwas

thicknessofdiaphragm,thealtitudeoftheislandandlengthofthebeam

diaphragmwerestudiedinordertoexploretheinfluenceonthe

idesimportantscientificbasisfornsor

chipdesign.

【期刊名称】《仪表技术与传感器》

【年(卷),期】2011(000)007

【总页数】3页(P15-17)

【关键词】传感器;灵敏度;理论分析;参数仿真

【作者】郑玮玮;刘学观;赵光霞

【作者单位】苏州大学电子信息学院,江苏苏州215123;镇江高等专科学校电子与

信息系,江苏镇江212003;苏州大学电子信息学院,江苏苏州215123;镇江高等职业

技术学校机电工程系,江苏镇江212016

【正文语种】中文

【中图分类】TP212

0引言

微传感器一是MEMS设备中的主要产品，在已开发的MEMS产品中，微传感器

占到90%［1］。微传感器的体积小、功耗低、响应快，便于和信号处理部分集成

以构成微传感器测试系统，这些特性使其可以应用于汽车、航空航天、电机、医学、

家用电器、生物化学、环境检测等广阔领域。

在微传感器中，微压力传感器是其中一个主要的分支。而目前微压力传感器的量程

一般为1kPa左右，更加微小的压力很难进行测量［2］。因此，对微压力传感器

的研究显得十分紧迫。

传感器的灵敏度和线性度是传感器最重要的性能特征，特别是对于超微压力传感器

而言。文中为设计600Pa量程的微压力传感器，对传感器的灵敏度和线性度进行

了一系列的探索研究，采用双岛梁结构［3］进行设计。对芯片结构的膜片厚度、

岛高及梁的尺寸进行了分析和仿真。

1传感器灵敏度理论分析

如图1所示，构成惠斯登电桥的4个扩散硅电阻，对称分布在传感器芯片的膜片

的力敏区域，其中2个电阻放于压应力区，另2个电阻放于拉应力区域，使2对

电阻感受到的应力的符号相反，这样当芯片受到压力的作用时，膜片发生变形，应

力使载流子的运动状态发生改变［4］，导致扩散硅的电阻值因电阻率随着被测介

质的压力而增加或减小，从而使惠斯登电桥的4个桥臂电压推动平稳，使电桥有

电压输出，且输出的电压与外在压力成正比。

图1芯片结构示图

如果使用恒流源激励时，电桥的输出与力敏感电阻之间的关系如式(1):

如果使用恒压源激励，电桥的输出与力敏感电阻之间的关系可表达为式(2):

传感器灵敏度的主要影响因素有扩散电阻的压阻系数和硅膜片上产生的应变与应力

值的大小和分布。

扩散电阻的压阻系数主要与电阻材料有关，在这里选用多晶硅作为传感器的敏感材

料，这是因为多晶硅与单晶硅相比具有压阻系数高、耐高温、耐腐蚀和价格低廉等

优点。

对于不同结构的芯片，将会产生不同的应力和应变分布，所以在敏感材料确定之后，

另一个重点工作就是选择传感器的芯片结构。

文中设计的传感器是低微压力传感器，要求在很小的外界压力下传感器芯片应变膜

上能够产生很大的应力，进而转化为较大的电压输出。综合平膜、岛膜等结构，这

里采用岛梁结构，如图1所示。这种结构综合了双岛结构抗过载的优点，又具有

梁膜结构灵敏度高的优点。而且设计出的双岛结构应力分布的对称性良好，在中间

位置将会出现正的极大应力，而在边缘位置出现符号相反的负极大应力，将惠斯登

电桥的两对电阻分别放于中间与边缘。根据上面分析可知，将会产生最大的电压输

出，大大地提高了传感器的灵敏度，特别适合作于微压压力传感器的芯片。所以通

过原理分析，确定了采用多晶硅岛梁结构作为传感器的芯片。

2芯片结构仿真分析与研究

该部分主要对应变膜的厚度、双岛的高度及梁膜区边长等参数对传感器性能的影响

进行了探索。在每次分析中，都建立了多个模型，进行相关研究。由于模拟软件无

法直接计算出惠斯登电桥的电压输出，间接地对纵横应力差进行分析研究，这是因

为纵横应力与电压输出成正比。在分析其线性度时，主要分析最大的变形程度，进

而分析其线性度和抗过载能力。

2.1应力分布研究

在进行参数分析之前，先对传感器膜片上的应力分布进行研究。找出膜片上应力最

值处，从而确定电阻条放置位置，进行惠斯登电桥设计。

分析了整个膜片上表面应力平面分布图［5］，结果如图2所示。通过分析，可以

粗略地发现，应力的极值大概在膜片的中间处和边缘处取得。

图2膜片上应力分布

为了更加精确地找出极值出现的坐标，又定义一条路径，即从膜片上表面左端中央

点至右端中央点(沿X轴方向)，分析该路径上应力分布情况，结果如图3所示。通

过图3，可以精确地找出应力极值处的坐标位置，在坐标为0、1.5和3的位置处

出现了最大值。将电阻放置此处将会使惠斯登电桥有最大的电压输出，从而提高了

传感器的灵敏度。

2.2应变膜厚度对理论输出的影响

对模片厚度参数进行了分析，目的是找出模片的厚度对传感器灵敏度的影响，使传

感器的输出达到最大值。

以下分析中所采用的传感器芯片的长为4mm，宽为4mm，应变膜长为3mm、

宽为3mm，膜片的厚度从20～70μm不等，每增加10μm制作1个模型，共

建立了6个模型。图4为随着厚度的变化，X轴处的|σx－σt|值的拟合图，表1为

通过分析等到的相关数据。

表1变膜厚度对理论输出的影响?

从图4和表1可以看出在应变膜面积固定的情况下，随着膜厚的增加，理论输出

值逐渐减小，并且近似呈线数规律下降。因此，在强度允许的情况下，应该尽量减

薄应变膜，以获得更高的输出值。

2.3岛高对传感器性能的影响

在这部分的仿真中，岛高从80μm到200μm，每间隔20μm建立一个模型，

共7个模型行模拟，其他条件相对固定，模拟结果如图5、图6和表2所示。

表2岛高对传感器性能的影响?

从图可以看出在应变膜面积和岛的长度和宽度都固定的情况下，随着岛高的增加，

应力差逐渐减小，即理论输出值逐渐减小，也就是传感器的灵敏度有所减小。岛高

越大，应变膜的刚度就越大，但必须保证应变膜在受压时有一定的变形量，且和衬

底玻璃间有一个用于过载保护的间隙，所以岛高不能超过边框的高度。

同时，从图6和表2，可以看出:随着岛高的增加，应变膜片的最大形变也呈现下

降趋势，这就意味着传感器的线性度有所提高，而且抗过载能力得到了提高。

因此综合灵敏度和线性度考虑，在满足要求的条件下，应该选择合适的岛高，才能

保证传感器良好的性能。

2.4梁膜片尺寸对传感器性能的影响

为了更加详细地了解传感器芯片的参数，对传感器膜片上的梁膜结构进行了一系列

的分析。在这里，固定了其他条件，使梁膜片的边长从1mm到1.5mm，第间

隔0.1mm建立一个模型，共建立了6个模型。研究的是梁膜片的长度对传感器

性能的影响情况，分析的数据依然是纵横应力差和膜片上的最大形变。结果如图7、

图8和表3所示。

图7膜片上应力分布

表3梁膜边长对传感器性能的影响?

从图7和表3，可以看出，随着梁膜片的边长的增加，中间应力差和边缘应力差都

呈现上升趋势，也就是说，在相同的外在压力下，比较长的梁膜片能够有比较大的

应力输出，通过惠斯登电桥就会有比较大的电压输出，对传感器的灵敏度而言是有

利的。

从图8可以发现，随着梁膜片边长的增加，芯片上的最大弯曲变形变得更小，即

传感器的线性度得到了提高，传感器的抗过载能力得到了一定程度的提高。

因此，综合传感器的灵敏度和线性，梁膜片的边长都应该尽量长些，这样对传感器

的性能的提高能起到很大的作用。但是需要注意的是，由于芯片的总体尺寸长度有

限，梁膜边的长度不宜过长，这样对后续电路的设计及封装将会带来一定的负面影

响。

3结论

对传感器的灵敏度的理论进行了详细的分析，得到了传感器的灵敏度与应力和应变

的关系，除提高扩散电阻的压阻系数外，芯片结构对传感器灵敏度有很大的影响。

在这里设计了双岛梁结构，能大大提高传感器的灵敏度。

通过有限元仿真软件对传感器尺寸进行了详细地探索，分析了膜片的厚度、岛的高

度和梁膜片的长度对传感器性能的影响。发现随着膜厚的增加，理论输出值逐渐减

小，并且近似呈线数规律下降。随着岛的高度的增加，传感器的灵敏度呈现下降趋

势，而抗过载能力和线性度却得到了提高。随着梁膜片边长的增大，传感器的灵敏

度和线性度都得到了提高。芯片参数的分析，为传感器芯片的设计提供了重要的依

据。

图8膜片上最大形变分布

参考文献:

［1］ANDERSENPD，JORGENSENBH，

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