一种新型点压式力学传感器的结构仿真与设计开题报告

研究背景：

进入21世纪以来，在市场引导、科技推动、风险投资和政府介入等多重作用下，MEMS传感器技术发展迅速，新原理、新材料和新技术的研究不断深入，MEMS传感器的新产晶不断涌现。目前，MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。其中，MEMS技术也是伴随着硅材料及其加工技术、IC技术的成熟而发展起来的，它的运用带来了传感器性能的大幅度提升，其特点主要包括:质量和尺寸的减少;标准的电路避免了复杂的线路和外围结构;3)可以形成传感器阵列，获取阵列信号;易于处理和长的寿命;低的生产成本，这包括低的能源消耗，较少的用材;可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料,其中压力传感器是影响最为深远且应用最为广泛的MEMS传感器。

目前的MEMS压力传感器主要有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。

压阻式:通过测量材料应力来测量压力大小，它具有体积小、全动态测量范围的高线性度、较高的灵敏度、相对较小的滞后和蠕变的特点，此类型传感器多采用惠斯通电桥来消除温度影响；

硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2所示。MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。

图1惠斯顿电桥电原理图2应变片电桥的光刻版本

图4硅压阻式压力传感器图5硅压阻式压力传感器实物

电容式:通过测量电容变化来测量压力大小，相比较压阻式的传感器，它具有很高的灵敏度、低温度敏感系数、没有滞后、更高的长期稳定性，但同时它的缺点也很明显，有更高的非线性度、更大的体积，需要更复杂的检测电路和更高的生产成本；

硅电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔册的间距，也就改变了板间电容量的大小如图3。电容式压力传感器实物如图4。

图3电容式压力传感器结构图4电容式压力传感器实物图

研究目的及意义：

基于压阻式和电容式压力传感器的缺点，为了检测出微小电容，与之相适应的处理电路较为复杂，从而增加了制造难度和成本。本课题提出一种基于条形形式的压力传感器结构，该结构相对于压阻式和电容式传感器而言其检测方式更为简单，受外界环境影响较小，检测电路的处理方式更加简便，制造的成本也会大大的减小。通过电阻测量，判断衬底硅片上条形对的接通情况，反映传感器受压大小。故在此提出了一种新型电阻条对压力传感器结构。其特征在于：该传感器包括顶部设有条形阵列的硅衬底和底部设有凹槽的硅片，硅片固定连接在硅衬底的顶面，硅片的凹槽形成密封腔体，凹槽的表面溅射一金属层，凹槽上方为作为压力感知区的顶部膜层；所述的条形阵列是在硅衬底上通过掺杂方式形成的相互间隔、并行排列的条形；每个条形的中部断开，形成条形对；每个条形的两端均位于硅片 外侧，且每个条形的两端均连接压焊块，压焊块固定连接在硅衬底上。具体结构见图1，图2.

图1条形电阻对压力传感器结构俯视图

图2条形电阻对压力传感器结构主视图

上述的微机械系统中接触式电阻压力传感器的由刚性衬底和硅膜以及中间一层薄片金属构成，衬底上分布有条形电阻对，两条电阻中间并未接触，故测量电阻对两端电阻时，阻值很大；当外部施加压力使得硅膜向下凹陷使得中间金属薄片与电阻对接触，此时测量两端电阻则阻值为较小。随着施加的力越大，接通的电阻条对越,只需测出接通电阻条对数则可以判断出压力大小。

当前MEMS压力式传感器对于我国的发展有着重要意义，由此可见MEMS压力传感器在未来几十年将会发挥出巨大潜力，本课题提出的一种新型的点压式力学传感器，在基于电容式和压阻式压力传感器上有了更大的发展，保留其两个的优点，把它们的缺点舍弃，设计出一种检测电路更加简便，制造成本减少，受外界影响低的点压式力学传感器。