【《Ⅰ型小尺寸MEMS压阻式压力传感器的仿真案例分析》2100字】

PAGE78Ⅰ型小尺寸MEMS压阻式压力传感器的仿真案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u14470Ⅰ型小尺寸MEMS压阻式压力传感器的仿真案例分析 114741.1挠度与应力仿真 229071.2电势与输出仿真 2119231.3小结 4本小节对该周边固支结构薄膜压力传感器的力学和电学特性进行了仿真分析。采用COMSOLMultiphysics软件进行结构建模，如图1.6所示，在不影响原始电学输出的基础上，为了更方便的建模，我们保留了薄膜和压阻的原本尺寸，构建了完整的电学连接结构。具体来说，在（a）图中黑色方框内为方形薄膜，边长为100μm，厚度为1μm，膜外区域即为固支区域；蓝色区域为压敏电阻，我们在膜外布置了三个同等尺寸的电阻，使之配置为惠斯通电桥，以便在后续仿真中可以施加电压与压强，得到输出电压变化；（b）图中的蓝色区域表明了整个电学连接，包括压敏电阻、高掺杂浓度欧姆接触区、金属引线。之后通过添加“电流、单层壳，稳态”（ElectricCurrents,SingleLayerShell，Steady-State）研究模块及“压阻效应，壳”多物理场，并设置好对应区域的材料类型以及其他深度和浓度参数，对其力电特性进行仿真分析。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16有限元分析下的应力分布。（a）60kPa时应力分布；（b）纵向和横向应力分布。Figure1.6Stressdistributionunderfiniteelementanalysis.(a)Stressdistributionat60kPa;(b)Longitudinalandtransversestressdistribution.1.1挠度与应力仿真利用Comsol有限元分析软件对方形硅薄膜进行力学行为仿真，将薄膜四周进行固定约束并在上方施加压强，进行参数化扫描。压强的扫描范围从0kPa至200kPa，间隔20kPa计算一次。在60kPa压强下，应力分布如图1.7（a）所示，可以看到薄膜的内应力大都集中在膜片四周边缘中心处，这很好地验证了上一节1.1.2种的应力分布计算结果。此外，薄膜形变最大处发生在中心位置，这也符合弹性力学中方形周边固支薄板的挠度分析。从（b）图中看出，沿薄膜中心线，边缘中心处的拉应力达到最大值。然后在抛物线趋势之后，横隔梁的中心出现另一个最大值，即压应力。然而，从图1.7（b）中的应力曲线可以看出，中心的正交应力差为零，因此，压阻条的中心要紧靠边缘，远离低正交应力差区域。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s17有限元分析下的应力分布。（a）60kPa时应力分布；（b）纵向和横向应力分布。Figure1.7Stressdistributionunderfiniteelementanalysis.(a)Stressdistributionat60kPa;(b)Longitudinalandtransversestressdistribution.1.2电势与输出仿真在左上电极添加“接地”，代表接地；右下电极添加“终端1”，并设置电势为3V，代表Vin；剩余两个对角电极分别添加“终端2”和“终端3”，分别代表Vout+和Vout−。在压强参数化扫描下，可以看到，压敏电阻随着薄膜的形变而上曲，同时电路系统中的电势随着薄膜形变及应力重分布发生改变，不同的颜色表明电势的高低，由红到蓝越来越低。图1.8（a）为压强60kPa的电势分布，此时，终端“2”“3”的电势差很小；图1.图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s18有限元分析下的电势分布。（a）60kPa时的电势分布；（b）在180kPa下的电势分布Figure1.8Thepotentialdistributionunderthefiniteelementanalysis.(a)Potentialdistributionat60kPa;(b)potentialdistributionat180kPa.利用Vout+-Vout−定义输出电压，然后通过“全局计算表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11压强参数化扫描下的输出电压（mV）TABLE1.1.Outputvoltageunderpressureparameterizedscanning.(mV)施加压力（kPa）020406080100120140160180输出电压（mV）9.1412.7216.2819.8321.3626.8730.3631.8437.340.74图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s19输出电压与施加压强的仿真结果Figure1.9Simulationresultsofoutputvoltageandappliedpressure根据表1.1绘制成输出电压与施加压强的关系曲线，如图1.9所示，得到直线斜率为K=ΔVΔP=40.74−9.14180−0则灵敏度为𝑆=ΔVV·ΔP=175.53因此，该压力传感器的理论灵敏度为58.5μV/V/kPa。不过，在实际制备的器件中，其灵敏度要低于理论值。除了上文提到的制作压敏电阻过程中存在工艺误差两端的原因之外，仿真计算过程还默认在设置的压阻薄层深度内，掺杂浓度是一致的。然而真实情况下，垂直于压敏电阻表面，离子浓度和应力均逐渐减小，所以对于灵敏度而言，仿真结果与实验测试会存在偏差，结果偏大。1.3小结本章节对周边固支方形薄膜的微型MEMS压阻式压力传感器进行了设计与建模。介绍了压阻式压力传感器的整体设计方案，重点介绍了周边固支方形薄膜的设计理念，并利用薄板弹性力学，推导出了施加压强下方形膜挠度和应力分布的理论计算公式。将小尺寸方形膜应用于压力传感器的感压膜片设计，实现高灵敏度的性能。采用COMSOLMultiphysics软件对该MEMS压力传感器的挠度、应力分布、灵敏度、输出电学特性分别进行了仿真分析。根据设计原则与仿真结果，可得出以下方案：（1）通过理论计算，得到方形膜片在周边固支情况下的挠度与应力分布，挠度最大处位于薄膜的中心处，应力集中处位于薄膜边缘中心位置，这也符合弹性力学中方形周边固支薄板的挠度分析。（2）模拟仿真了不同剂量下硼离子注入及退火后的载流子浓度，考虑到浓度对灵敏度温度漂移TCS与电阻温度漂移TCR的影响，确定了注入能量30keV，注入剂量1.7E14cm-2的注入条件，得到了7×1018cm-3的载流子浓度。（3）在COMSOLMultiphysics中对设计的压力传感器进行建模，并添加了固体力学与多物理场模块，仿真得到了薄膜周边固支情况下的应力与变形，仿真结果也验证了计算结果