微壓力傳感器的工作原理詳解

微壓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。

對于微壓傳感器來說，靈敏度和線性度是微壓力傳感器重要的兩個性能指標。為了制作出能夠滿足實際應用需求的傳感器，必需探索出一種微壓力傳感器靈敏度和線性度的有效仿真方法。實際的研究中，發現一種基于對壓阻式壓力傳感器薄膜表面應力的有限元分析(FEA)和路徑積分的仿真方法。通過這一方法實現了在滿量程范圍內不同壓力值下對傳感器電壓輸出值的估計，在此基礎上對壓力傳感器的靈敏度和線性度進行了有效仿真。

微壓傳感器發展迅速，新研制出的一類傳感器采用壓電單晶片結構，并內置前置放大器，通過放大器放大微弱信號并實現阻抗變換，從而使傳感器具有量程小、靈敏度高、抗干擾性好等特點。這類傳感器已廣泛用于脈搏、管壁壓力波動等微小信號的檢測。但與此同時，對于微壓傳感器度的檢驗這一技術難題，就迫切需要簡便的測量裝置測量該類型傳感器的性能。

為了解決微壓力傳感器靈敏度和非線性的矛盾，在結構上，綜合梁膜結構與平膜雙島結構的優點，采用雙島-梁結構。島區的面積不是按比例放大或縮小。首先，為了增加靈敏度，應盡可能減小窄梁區的長度和寬度。因為從對“梁-膜-島”結構的有限元分析和近似解析分析中發現，減小窄梁區的長度和寬度可以明顯地使梁上的應力增大。并且當中間窄梁的長度約為兩邊窄梁長度的2倍時，器件的線性度好。雖然有雙島限位結構，但在高過載情況下，硅膜將首先從島的邊區和角區破裂。這是因為傳統的島膜結構都是采用常規的有掩模的各向異性濕法腐蝕，從硅片背面形成硅膜和背島。硅膜是晶面，邊框和背大島側面都是晶面，夾角為54.74°的銳角。根據力學原理，在角區存在應力集中效應，使硅膜在正面或背面受壓以后，角區會具有應力的極值，因此破裂首先從該處發生。引入應力勻散結構以后，使角區變成具有一定曲率的圓角區，使該區的應力極值下降。在硅膜與邊框或背島的交界處要形成有一定曲率半經的緩變結構，采用一般的常規各向異性濕法腐蝕是無法實現的。為此，采用了掩模-無掩模各向異性濕法腐蝕技術。