wika壓力傳感器的工作原理以及微壓力傳感器的工作原理詳解
點擊次數：2759 更新時間：2023-09-06
wika壓力傳感器在測量過程中，壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發生變化，同時通過電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這個壓力的標準信號，這樣的過程就是微壓傳感器進行測量的過程。
對于(yu)微壓傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)來說，靈(ling)敏度和線性度是微壓力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)zui重要的(de)兩(liang)個性能(neng)(neng)指標。為了(le)制作(zuo)出(chu)能(neng)(neng)夠滿足實際應用需(xu)求的(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)，必需(xu)探索出(chu)一(yi)種微壓力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)靈(ling)敏度和線性度的(de)有效仿(fang)真方法。實際的(de)研究中，發(fa)現(xian)(xian)一(yi)種基于(yu)對壓阻式壓力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)薄(bo)膜(mo)表面應力(li)的(de)有限元分析(xi)(FEA)和路徑積分的(de)仿(fang)真方法。通過這一(yi)方法實現(xian)(xian)了(le)在滿量程(cheng)范(fan)圍內不同壓力(li)值(zhi)下對傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)電壓輸出(chu)值(zhi)的(de)估計(ji)，在此基礎上對壓力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)靈(ling)敏度和線性度進行了(le)有效仿(fang)真。
微(wei)(wei)壓(ya)傳(chuan)感器發展迅速，新研制出(chu)的(de)(de)一類傳(chuan)感器采(cai)用(yong)壓(ya)電(dian)單(dan)晶(jing)片結構，并內置(zhi)前置(zhi)放(fang)大(da)(da)器，通過放(fang)大(da)(da)器放(fang)大(da)(da)微(wei)(wei)弱(ruo)信(xin)號(hao)并實(shi)現阻抗(kang)變換，從而(er)使傳(chuan)感器具有(you)量(liang)(liang)程(cheng)小、靈敏度高、抗(kang)干擾性(xing)好(hao)等(deng)特(te)點。這(zhe)類傳(chuan)感器已廣泛(fan)用(yong)于(yu)脈搏、管壁壓(ya)力波動等(deng)微(wei)(wei)小信(xin)號(hao)的(de)(de)檢測(ce)。但與此同(tong)時，對于(yu)微(wei)(wei)壓(ya)傳(chuan)感器度的(de)(de)檢驗(yan)這(zhe)一技術難題，就迫切需要簡便的(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)裝(zhuang)置(zhi)測(ce)量(liang)(liang)該類型傳(chuan)感器的(de)(de)性(xing)能。
wika壓(ya)力傳感(gan)(gan)器(qi)是(shi)工業(ye)實(shi)踐中zui為(wei)(wei)常用的(de)一(yi)種(zhong)傳感(gan)(gan)器(qi)。一(yi)般普(pu)通(tong)壓(ya)力傳感(gan)(gan)器(qi)的(de)輸出為(wei)(wei)模(mo)擬信(xin)(xin)號(hao)，模(mo)擬信(xin)(xin)號(hao)是(shi)指信(xin)(xin)息參(can)數在(zai)給定范圍內(nei)表現為(wei)(wei)連續的(de)信(xin)(xin)號(hao)。或在(zai)一(yi)段連續的(de)時間間隔內(nei)，其代表信(xin)(xin)息的(de)特征量可以在(zai)任意(yi)(yi)瞬間呈現為(wei)(wei)任意(yi)(yi)數值的(de)信(xin)(xin)號(hao)。而我們通(tong)常使用的(de)壓(ya)力傳感(gan)(gan)器(qi)主要是(shi)利(li)用壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)制造而成的(de)，這(zhe)樣的(de)傳感(gan)(gan)器(qi)也稱為(wei)(wei)壓(ya)電(dian)傳感(gan)(gan)器(qi)。
wika壓力傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)是(shi)使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)一種傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)。傳(chuan)(chuan)統的(de)(de)(de)(de)(de)壓力傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)以機械(xie)結(jie)構(gou)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)器(qi)(qi)件為主，以彈性元件的(de)(de)(de)(de)(de)形變指示(shi)壓力，但這(zhe)(zhe)種結(jie)構(gou)尺寸大(da)、質量重，不(bu)能提(ti)供(gong)電(dian)學輸出。隨(sui)(sui)著(zhu)半導體(ti)(ti)技術的(de)(de)(de)(de)(de)發展，半導體(ti)(ti)壓力傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)也(ye)應運而生。其(qi)特點是(shi)體(ti)(ti)積(ji)(ji)小(xiao)、質量輕、準確度(du)高、溫(wen)度(du)特性好(hao)。特別是(shi)隨(sui)(sui)著(zhu)MEMS技術的(de)(de)(de)(de)(de)發展，半導體(ti)(ti)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)向著(zhu)微(wei)型(xing)(xing)化(hua)發展，而且其(qi)功(gong)耗(hao)小(xiao)、可靠性高。為了(le)解決(jue)微(wei)壓力傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)靈(ling)敏度(du)和非線性的(de)(de)(de)(de)(de)矛盾，在結(jie)構(gou)上，綜合梁(liang)(liang)(liang)膜結(jie)構(gou)與平膜雙(shuang)島(dao)(dao)(dao)(dao)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)優(you)點，采用(yong)(yong)雙(shuang)島(dao)(dao)(dao)(dao)-梁(liang)(liang)(liang)結(jie)構(gou)。島(dao)(dao)(dao)(dao)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)面積(ji)(ji)不(bu)是(shi)按比例放大(da)或縮小(xiao)。首先，為了(le)增加靈(ling)敏度(du)，應盡可能減小(xiao)窄梁(liang)(liang)(liang)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)長(chang)度(du)和寬度(du)。因(yin)(yin)為從(cong)對“梁(liang)(liang)(liang)-膜-島(dao)(dao)(dao)(dao)”結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)有限(xian)元分析和近似解析分析中發現，減小(xiao)窄梁(liang)(liang)(liang)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)長(chang)度(du)和寬度(du)可以明顯地使梁(liang)(liang)(liang)上的(de)(de)(de)(de)(de)應力增大(da)。并且當(dang)中間窄梁(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)長(chang)度(du)約為兩邊窄梁(liang)(liang)(liang)長(chang)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)2倍時，器(qi)(qi)件的(de)(de)(de)(de)(de)線性度(du)。雖然有雙(shuang)島(dao)(dao)(dao)(dao)限(xian)位結(jie)構(gou)，但在高過載情況下(xia)，硅膜將首先從(cong)島(dao)(dao)(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)邊區(qu)和角區(qu)破裂(lie)。這(zhe)(zhe)是(shi)因(yin)(yin)為傳(chuan)(chuan)統的(de)(de)(de)(de)(de)島(dao)(dao)(dao)(dao)膜結(jie)構(gou)都(dou)是(shi)采用(yong)(yong)常規的(de)(de)(de)(de)(de)有掩模(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)各向異(yi)性濕(shi)法腐蝕，從(cong)硅片(pian)背面形成硅膜和背島(dao)(dao)(dao)(dao)。
硅(gui)膜是(shi)(shi)晶面(mian)，邊(bian)框(kuang)和背(bei)大島側面(mian)都是(shi)(shi)晶面(mian)，夾角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)為54.74°的(de)銳角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)。根(gen)據力(li)學(xue)原理，在(zai)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)區(qu)存在(zai)應力(li)集中效應，使硅(gui)膜在(zai)正(zheng)面(mian)或背(bei)面(mian)受壓以后，角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)區(qu)會具(ju)有應力(li)的(de)極值，因此(ci)破裂(lie)首(shou)先從該(gai)處發(fa)生(sheng)。引入應力(li)勻散結(jie)構(gou)以后，使角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)區(qu)變成具(ju)有一(yi)(yi)定曲(qu)率的(de)圓角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)區(qu)，使該(gai)區(qu)的(de)應力(li)極值下降。在(zai)硅(gui)膜與邊(bian)框(kuang)或背(bei)島的(de)交界(jie)處要形成有一(yi)(yi)定曲(qu)率半經的(de)緩變結(jie)構(gou)，采用(yong)一(yi)(yi)般的(de)常規各(ge)向異(yi)性濕法腐蝕是(shi)(shi)無(wu)法實現的(de)。為此(ci)，采用(yong)了掩模(mo)-無(wu)掩模(mo)各(ge)向異(yi)性濕法腐蝕技(ji)術。
