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压力传感器芯片设计及温度分析 年仪 表 技 术 与 传 感 器.第 期压力传感器芯片设计及温度分析郑玮玮 ,刘学观 ,赵光霞.镇江高等专科学校电子与信息系,江苏镇江 ; .苏州大学电子信息学院,江苏苏州 ;.镇江高等职业技术学校机电工程系,江苏镇江 摘要:设计了双岛梁结构量程是的超微压力传感器,进行了理论分析与计算,并对模片上的电阻条的宽度和长度进行了研究,为传感器惠斯通电桥的设计提供了重要的依据。通过有限元仿真软件,对传感器进行了温度分析,探索出了传感器的工作温度范围。最后,对传感器芯片尺寸进行了相关分析,发现随着尺寸增加和膜片厚度减小,纵向、横向、纵横应力差及 应力均增加,但弯曲程度也相应增大,即灵敏度提高,线性度下降。关键词:传感器;理论计算;芯片设计;温度分析中图分类号: . 文献标识码: 文章编号: ? ? ? ? ,? , ,; , ,. ; . , ,:? .? . . ,. , . . , , , ? ,. : ; ; 引言发生变化,长度和横截面积发生改变,使其电阻值有一定的改为了设计量程的传感器,采用了双岛梁结构?,此变,这种由于长度或面积改变而使电阻改变的效应,称之为几结构综合了平膜、梁膜、岛膜的优点,既保持了梁膜结构灵敏度 何电阻效应。对于半导体硅材料而言,几何效应引起的电阻改高的特性,又吸收了平膜结构线性度好的优点。虽然双岛梁膜变,相对于压阻系数改变引起的电阻改变是很小的。对于半导结构有着众多的优点,但由于其结构相对较为复杂,很难建立体硅材料,由于外界压力会引起材料内在应力的改变,而应力起分析模型,这为优化该种传感器结构参数、合理布置电阻条又会引起能带变化,使能谷能量产生移动,进而导致电阻率变的位置及工艺方面的设计带来了困难。化,这种效应称为压阻效应。在半导体中,由于压阻效应而为更准确地了解双岛梁膜芯片膜片的具体结构参数,如应引起的电阻的改变占主导作用。半导体材料在受到外界压力变模的长度、厚度以及电阻条尺寸,文中进行了相关理论计算作用时,其电阻率的改变如式 所示。分析。并采用有限元方法研究了温度对传感器线性度和灵敏/,度的影响,最后对模片尺寸参数进行了对比分析。式中: 为泊松比;为纯几何效应引起的阻值变化;工作原理及芯片的设计 / 。为压阻效应引起的阻值变化。. 工作原理压阻式压力传感器对压力的测量是基于半导体的压阻效压力传感器从原理上分有电容式、压阻式和谐振梁式应的基础上,应用惠斯通电桥而实现的。将 个单晶硅或多晶种。由于压阻式压力传感器,具有灵敏度高、线性度好和抗过硅电阻分别放置于电桥桥臂上,如图 所示。载等优点,在微压力的测量上有着广泛地应用。文中设计的是无压力作用时,输出电压为零。若将 个电阻分别布置在 超微压力传感器,采用压阻式压力传感器进行分析研究。膜片中央及边缘区域,当膜片受到外界压力作用时,布置在中压阻式压力传感器的工作原理是基于半导体硅的压阻效央处的两电阻受压,布置在边缘处的两电阻受拉。如 、髓受应的,单晶硅或多晶硅在受到拉力 或压力 作用时,其体积将拉,而 、 受压时, 。、 为正, 、自为负,进而使 ,、 为正, :、 ,为负,此时电桥失去平衡,使 。一 :一 ,收稿日期:? ? 收修改稿日期:? ? 髓的值达到最大,得到最大的输出电压。若在膜片上能找 .到适当电阻放置位置,使压力作用后足 一 一 ,其绝对值均为 ,则能得到输出电压如式 所示,?,式中 可达到最大值。由式 知,此时电桥的电压输出与力敏电阻阻值变化和恒流源电流值成正比,传感器的输出精度受到供电电源精度的图 双岛结构尺寸参烽图示影响,但 输出无温度影响因素,不再受外界温度的影响。传感器的量程是传感器的正常压力检测范围,指能使传感器的输出电压与所加外在压力保持良好线性关系所对应的最大压力值,在这里记为 ,该设计.要使传感器的输出和压力保持良好线性关系,需要满足以下两个条件:应力膜的弯曲属于小挠度范围,膜片在受到压力作用时,弯曲变形要小于膜片厚度的 . 倍,这样才能保证膜片上产生的应力与外在压力之间存在良好的线性关系,才能保证后续的电路有线性的压力输出。同时,还要压阻效应保持线性关系,即电阻值的变化与应力成正比,这样通过惠斯通电桥,使电阻的改变传感器输出图 恒流源供电电桥电路的电压有着线性的关系。. 芯片设计应力差最大值如式 所示对于压阻式压力传感器芯片结构种类繁多,较为常见的有平膜、岛膜和梁膜结构。文中设计的是 微小压力的测一量,在这里将平膜、岛膜和梁膜结合起来,设计成双岛一梁一膜已知单晶硅的破坏应力强度 为了满足条件,则要求结构传感器 。这是因为有梁膜结构的存在,使得芯片在感受式 成立。压力作用时,有了更加明显的应力集中效应,这样惠斯通电桥一 上的半导体力敏电阻会感受到更大的应力,从而会有更大的电将式代入式 ,整理得式 :阻改变,使电桥有较大的电压输出,达到对微小压力测量的目的。同时,在宽阔的梁膜结构的纵背面,做成 个突出的双岛 /结构,这样在比较大的过载压力和动载荷的作用下,能对平膜另外,在外加压力作用下,双岛矩形方形膜片中心具有最和梁膜起到一定的保护作用,使得膜片的弯曲不至过大,防止大挠度如式 所示。出现“气泡效应”,提高了传感器的线性度和过载能力。双岛一./ 梁一膜传感器芯片结构如图 所示。为了满足条件 的要求,则有式 : 佩 厂了了 盯 将式 代人式 中,整理得式 : : /.:考虑到实际应用中对膜片尺寸的要求,取膜片边长 : .将其代人式 中得. .代人式 中则得图 双岛一梁一膜结构传感器芯片 . 。因此为了同时满足上述两个限制条件,保证传感器输方形应力膜片的理论分析 出具有良好的线性,结合前面的优化结果,对于设计量程为的由于压阻式压力传感器的芯片,是通过硅的各向异性腐蚀 压力传感器,取膜边长 ,厚度 .所制作的 。而在各向异性腐蚀的过程中,圆形芯片将不利 通过力学分析,设计出了量程为 的微压力传感器的芯片尺寸。于加工。从实际工艺水平考虑,在这里选择矩形双岛一梁一膜电阻设计结构进行设计。. 力敏电阻的条宽分析设计的目的是为了探索出膜的边长 、边缘与岛之间的一般单位表面积最大功耗为 / .当电阻条间隙。和厚度 ,如图 所示。这是因为,这 个参数对传感器上有钝化膜时,影响散热,最大功耗还应该更小些。的灵敏度和量程有很大影响。但在研究中,。的取值范围小,相对固定。所以研究的重点是根据传感器的量程来确定 和 值。 实际的单位功耗如式 所示:第 期 郑玮玮等:压力传感器芯片设计及温度分析 时,应力和形变有了明显的改变,应力骤增. ,形变也,一:器: 增加了. .这将大大影响传感器的线性度和灵敏 一单位条宽的工作电流如式表述:度,故设计的传感器芯片应控制在 以内。溉 晰嘲堡叭聊 啪拼,吉 丁对单位条宽的最大工作电流如式 :室器, 等 寺 ,需当 时,.或 .若桥臂的电流为要时,电阻条的宽度为 或 .考虑到一般制作工艺光刻水平,不是超大规模电路,电阻条宽可选取、 .电阻条过宽,达到同样的阻值所需电阻条的条长过长,对版图设计不利 。一般普通的制版水平,光刻引起的膜片 轴上坐标/ ,电阻条过窄时阻值的误差较大,电桥零点输出增大。图下膜片 轴上应力分布这里考虑到实际的制作情况,取电阻条宽度为. 力敏电阻的长度由式, 膜片 轴上坐标/这里取电阻的阻值 为 ,电阻条的厚度为 . ,电嬲丑阻条宽度,横截面积 . ,电阻率取 弱 眈 艏 鼹 弱 的 善 埋 嚼 赶篷 ,可得式图 膜片上最大应力随着温度的变化? 、 温度分析蟮温度对传感器有着显著地影响,这主要是因为在不同的温 盘度条件下,相同的外在压力将会产生不同应力分布。同时,在篷比较高的温度条件下 ,传感器芯片的平膜和梁膜片也会有比膜片 轴上坐标/较大的变化,这对传感器的线性度而言是十分不利的。因些,图 膜片上最大形变随着温度的变化研究传感器温度因素对传感器性能的影响十分必要。表 应力、应变随温度的变化在这里,建立了多个温度场情形,对应变膜底面施加温度 ,上表面从 ? 不等,研究其应力分布和芯片的变形情况。结果如图 、图 、图 、图 和表 所示。藿巷蒉蠢膜片参数分析最后对模型结构的尺寸及膜片厚度对应力应变关系进行研究,在其他参数均不变的条件下,分别建立了 膜片 轴上坐标/ , , 个模型,实图 下膜片 轴上应力分布验数据如表 所示,对比发