论文总字数：19584字

目 录

1.引言 1

1.1研究背景 1

1.1.1压力传感器的应用领域 1

1.1.2压阻式压力传感器的特点 1

1.1.3国内外现状 2

1.2研究的目的和意义 2

1.3论文的主要内容 2

2.压力传感器及其基本原理 3

2.1压力传感器简介 3

2.2压力传感器的基本原理 3

2.2.1传感器电路 3

2.2.2压阻效应 4

2.3弹性薄膜挠度理论 5

2.3.1小挠度理论 5

2.3.2大挠度理论 6

2.4弹性薄膜结构 6

3.C型薄膜理论推导 7

3.1 C型圆膜理论推导 7

3.2 C型方膜理论推导 9

4.压阻式压力传感器的优化 12

4.1 C型单层硅膜的ANSYS分析 12

4.1.1 有限元分析法 12

4.1.2 ANSYS简介 12

4.1.3方形薄膜的ANSYS力学分析 12

4.1.4圆形薄膜的ANSYS力学分析 17

4.2不同薄膜厚度对挠度的影响 21

4.2.1方形薄膜的薄膜与挠度变化 21

4.2.2圆形薄膜的薄膜与挠度变化 22

4.3敏感芯片的比较 23

5.总结 24

参考文献 25

附录 26

致谢 30

1.引言

1.1研究背景

1.1.1压力传感器的应用领域

Microelectromechanical system简称MEMS，即微机电技术，是以微电子技术为平台产生和发展来的，它是面向21世涵盖多类学科的高新研究领域。由于MEMS技术的飞速发展，硅传感器的发展也获得了很大的帮助，现阶段它是商业化传感器的中及其重要部分之一。它是普遍应用于动力机械、生物医学工程、气象学、航天、航空、航海、石油化工、地质、地震测量等范围的MEMS传感器。因而，从宇宙到深海，从各种繁复的应用系统到平常生活起居，简直每一个畛域都无法离开形形色色的传感器。其中的压阻式压力传感器是使用的最频繁的传感器之一。由于硅压阻压力传感器的特点以及对生物体的适应性, 它在生物医学上的应用也很广泛。现在用硅压力传感器用作心血管和颅内压力的测量, 尿道内和子宫内的压力测量, 确定尿道管内的压力分布图, 作医生诊断治疗判断。这种压力传感器用来监测产妇产前情况,有利于助产工作。应用硅压阻压力传感器制成了许多生物医学上用的新型仪器, 如脉压测量计, 取代常用的血压计, 能够更精确, 更迅速, 更方便地进行测量; 配上自动显示器, 病人能够自己测量十分方便。制成眼球内压计, 作为青光眼病的检测。制成肺吝量计检查肺部。由于它的体积微型化, 能与生物体适应, 许多应用可以植入生物体内, 进行长期监测^[1]。

1.1.2压阻式压力传感器的特点

现阶段压阻式压力传感器是使用的最普遍的传感器。由于半导体材料的压阻效应，所以它可以方便得用于压力测量。这种传感器具备频率响应、精度高，稳定性好、体积小、横向效应小、滞后、蠕变小和易于集成化等特点。 下面细化一下。

缺点：由于使用半导体材料，压阻式压力传感器具有较差的温度特性。因而在温度不稳定的环境中，要求补偿温度，而且生产过程复杂。研发要求苛刻，特别是扩散杂质、烧结和封装工艺较之别的传感器繁复得多，成本也很高。

优点: 精度高、灵敏度高；微型化，耗电少；固有频率高，频响范围宽。因为使用了集成电路技术，所以硅膜片的敏感器件能够做得比较小。压力传感器是不活泼的，因而它是防震的、可靠的、耐冲击的、耐腐蚀的、抗干扰的，并且可以在条件不行的环境下应用。

目前，传感器技术正朝着微型化、集成化、标准化的方向发展。一些微处理器由集成电路部分组成，具备存储、思维、判别和处理能力^[2]。

1.1.3国内外现状

国际上有两种不同的方法来研究传感器技术。一是第一次战争后的先进军事工业，以美国为代表。该方法的主要优势是在传感器技术畛域中使之长期保持的领先状态，保持军事技术的领先地位。但对发展中国家和欠发达国家来说，巨额投资和经济回报的缓慢复苏是不可接受的。二是普及和完善日本，从模仿到自我设计和创新。这种方法的主要特点是：有效的资本能够用于密切关注国外的高新技术，事半功倍。它可以在短时间内大批量生产，并且在短时间内进入市场，迅速得到经济回报。

正因如此，传感器技术在日本能得到迅速发展，已达到世界领先水平。这一有效措施已被许多国家借鉴学习，中国也不例外，研习国外的先进完备工艺和制造技术，并把它在我国发扬光大。与此同时，也将不断扩大微加工技术的引进，新材料的研究将作为微加工技术和新技术的重要发展目标。可以期待在不久的将来我国的微加工制造技术会位于世界前列。

1.2研究的目的和意义

硅压力传感器是一种使用范围广、应用频率高的一种传感器，它广泛使用于军事工程和兵器装备，如航空航天、航空、舰艇等。它已是发展高新技术设备重要元素。现阶段基于微机电系统技术的膜片式压力传感器^[3]发展最为迅速的传感器。以前，提取载有压力信息的膜片变形量，基本都都是通过提取电容电阻和谐振频率等方式。两千零一年，Zhou^[4]等把光纤技术与微机电系统技术结合，发明了使用光学干涉去提取膜片的形变量的方法。而杨春弟^[5]等人用多模光纤凹腔进行刻蚀，然后熔接到单模光（SMF）上，制作成全光纤式压力传感器。

传感器性能优劣还受受膜片形状和厚度的影响，并通过对影响敏感器件的因素的研究，对压阻式压力传感器的研究起到一定的理论指导意义。

1.3论文的主要内容

本论文内容由两部分组成。

第一部分介绍压力传感器的基本原理和弹性薄膜挠度理论，对敏感膜的应力分布情况用MATLAB软件进行模拟分析。

第二部分使用 ANSYS，对C型单层方膜、圆膜，施加一定压力，薄膜所受应力和挠度进行模拟。在相同的条件下，对方膜和圆膜产生的挠度、应力对比，还有模拟不同的薄膜厚度，方膜圆膜挠度、应力的变化，总结一些薄膜的优化方案。

2.压力传感器及其基本原理

2.1压力传感器简介

压力传感器的适用领域极为广泛,它的种类也多到不胜枚举 ,按所测压力范围的各不相同可分为:微压、低压、高压、超高压等传感器。根据不同传感器的工作原理不同,据此可以分成:压阻式、电容式、电感式、压电式、智能式压力等应用范围不同的传感器。另外，还可以根据使用材料的不同，又可分成:金属、半导体、金属-氧化物、光学等在不同领域发挥作用的压力传感器;测量对象的不同也有不同的分类，主要有:表压、绝对压力、差压等^[6]。

本文研究的内容是压阻式压力传感器。单晶硅是半导体材料，压阻式压力传感器就是应用它的压阻效应制造的。单晶硅是最普遍应用的半导体材料，并且还是拥有优异机械性能的弹性材料。硅压阻式压力传感器的延迟小和重复性好，这都得益于硅的单晶结构。硅的压阻系数越大，那么能应用的温度范围就越宽^[7]。

最初的压阻式传感器是使用半导体应变片制成的。20世纪中后期，开发了一种具有力敏电阻和硅膜片粘合一起的压阻式压阻式传感器^[8]。在半导体材料衬底上制成的扩散电阻器。批量生产容易，小型化、集成化、智能化。因此，它已成为一种具有代表性的新型传感器，越来越受到人们的青睐。

2.2压力传感器的基本原理

2.2.1传感器电路

压力传感器的基本原理如图1所示，应变电阻片固定在平衡梁上，平衡梁为弹性材料，一边固支，另外一边施加外力F。当该压力传感器受外力作用促使其形变时，应变电阻片就会发生形变，那么电阻值也会随其变化而变化，同时，位于平衡梁上表面的应变电阻片，由于拉伸的作用，其阻值增大，相反地，位于平衡梁下表面的应变电阻片，在压缩作用下，其阻值减小，这样，通过检测应变电阻片阻值的变化就可以简单地判断出外力作用的强度。图1所示为四应变电阻片法，也可采用单应变电阻片或双应变电阻片^[9，10]。

图1 压力传感器原理图

压力传感器中，一般应用惠更斯电桥测量应变片阻值变化^{[11，12，13]}，惠更斯电桥如图2所示，E为电源电压，U₀为输出电压，当不对传感器施加外力时，电桥处于平衡状态，U₀=0。但是对传感器施加外力，从而使得应变片阻值产生变化，此时电桥进入非平衡状态，Ug≠0,所受压力越大其值越大。如果四个应变片的阻值一样，同时施加外力电阻阻值变化量也一致，同为,那么输出电压U₀为:

（2-1）式中，K₀为应变片的灵敏度系数，为平衡梁所承受的应变。

图2 惠更斯电桥电路

2.2.2压阻效应

压阻效应是压阻式压力传感器的工作原理。当金属或半导体受到外力时，电阻值发生变化。与金属材料不一样的是，由半导体材料本身物理因素产生的电阻非常小，可以省略。而很大，半导体材料电阻率的变化会导致半导体材料电阻的变化。这一结论得益于 1954 年 C.S.Smith 发现了半导体材料的压阻效应^[14]。

对于压阻式压力传感器，电阻变化率为

(2-2)

半导体的电阻变化率与应力σ的关系如下，

式中为压阻系数，与半导体材料的晶向有关，E 为杨氏模量。把式（2-3）

代入（2-2）式，得到压阻式压力传感器电阻变化的一般表达式

把（2-3）式代入（2-4）式得到压阻式压力传感器的总的电阻率变化，即

式中 是由几何效应引起的，由于 。πE是压阻效应项，半导体材料的压阻效应项一般都高于50，正是由于这个压阻式压力传感器灵敏度才会很高。因而也可以发现半导体材料电阻值的变化主要来自电阻率变化。

压阻效应是可以逆转的，但是需要在一定的弹性变形范围内。一旦半导体器件因外力而产生形变，电阻率就会随之改变，而当外力被去除时，电阻率回到以前的值。晶体的晶格发生形变导致载流子从一个能量谷散射到别的能量谷，使得载流子迁移率的变化，干扰了载流子的纵向和横向方向的平均值，使得半导体材料的电阻率变大。晶向会引起AI的变化，即不同晶向对应着不同的压阻效^[15]。

压力作用在半导体晶体上，由于压阻效应，晶体电阻发生变化。电阻的相对变化的表达式为

式中、和分別丙横向、級向与切向的圧阻系数,其中,和。分別丙横向、級向写切向的应力。较之其他两个方向她比较小,能够忽略不计,式(2-6)简化为

(2-7)

立方体结构中，使用横向和纵向两个压阻系数、来代表，其中、由两个独立的、表示。参杂类型不一样的半导它们的计算表达式也有区别：
n 型:

p 型:

2.3弹性薄膜挠度理论

弹性膜片变形理论是敏感膜片设计的理论基础。

2.3.1小挠度理论

小挠度理论^[16]：受压力作用下的感应膜的形变量记为W,薄膜的厚度记为h。当Wlt;lt;h即薄膜的变形量很小时，其满足以下公式：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19584字

相关图片展示：