一种高灵敏度mems压力传感器的研究
摘 要现代社会，半导体技术还处于一个发展阶段，而半导体压力传感器作为半导体技术的典型应用，具有质量轻、精度高、温度特性好，体积小等优点。在MEMS技术的发展进程中，研究发现将MEMS技术运用于半导体传感器，可以极大地提高传感器的性能。本文主要是针对一种MEMS压力传感器，对其灵敏度这一重要性能进行研究分析，主要内容包括：（1）提出了针对一种MEMS压阻式压力传感器的灵敏度的检测方式，并尝试通过改变某些参数提高该类型传感器的灵敏度。（2）利用压阻效应与惠斯通电桥原理将传感器灵敏度与施加给薄膜表面的负载，输出电压联系起来，通过电压值来判断灵敏度的强弱。（3）ANSYS软件建立压力传感器的薄膜模型，分析影响薄膜表面应力的因素.设计薄膜的尺寸，材料，结构，压敏电阻所在位置等参数，分别研究它们对灵敏度的影响。（4）通过ANSYS软件的仿真功能，得出薄膜结构在施加负载后的形变、应力分布图以及应力数据曲线图。分析应力数据曲线图，制作表格、折线图，通过图表直观地得出各参数对灵敏度的影响，并在此基础上得出最优设计方案。本论文主要通过猜想--验证的方式，对一种MEMS压力传感器灵敏度这一性能进行研究，在此基础上得出了灵敏度这一性能的最优设计。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 背景 1
1.1.1 MEMS介绍及发展历史 1
1.1.2 MEMS的基本特征 3
1.1.3 MEMS的典型应用 3
1.1.4 MEMS的发展前景 4
1.2 MEMS传感器现状 4
1.2.1 国外现状 4
1.2.2 国内现状 5
1.3 本文主要研究内容 5
第二章 高灵敏度压力传感器灵敏度检测的原理 6
2.1 压阻效应 6
2.2 传感器薄膜结构说明 9
2.3 输出电压与应力关系 9
2.4 工作原理简述 13
2.5 本章小结 13
第三章 压力传感器薄膜模型的ANSYS分析 14
3.1 ANSYS软件 14
3.2 前处理阶段
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14
3.2.1 材料的选择 14
3.2.2 各参数研究方法 16
3.3 加载求解阶段 17
3.4 ANSYS后处理阶段 18
3.5 本章小结 20
第四章 影响灵敏度因素的数据分析与结论 21
4.1 薄膜厚度 21
4.1.1 取值办法 21
4.1.2 统计数据表格 21
4.1.3 数据折线图 22
4.2 电阻位置 23
4.2.1 取值办法 23
4.2.2 统计数据表格 23
4.2.3 数据折现图 23
4.3 材料类型 24
4.3.1 取值办法 24
4.3.2 统计数据表格 24
4.3.3 数据折现图 25
4.4 结构类型 26
4.4.1 取值办法 26
4.4.2 数据表格 26
4.4.3 数据折线图 27
4.5 本章小结 27
第五章 总结与展望 28
5.1 总结 28
5.2 展望 29
致 谢 30
参考文献 31
附 录 33
科技文献翻译 33
绪论
背景
如今，传感器已经在全世界得到了广泛的应用，医疗卫生，安防，航空航天，通信网络等各行各业都离不开各种传感器的使用。但总体而言，当前整个世界的传感器技术的研究仍处在一个瓶颈阶段，MEMS的产生使传感器迎来了新的春天。
传感器技术的发展趋势是更加多元、精密、微型，科研人员普遍认为实现传感器的微型化可以推动真个行业的突破。在这样的背景下，MEMS微机电系统应运而生。 压力传感器，作为一种最常用的传感器，已经在很多行业中得到广泛应用，比如在通信网络，航空航天技术，水利水电工程、铁路等领域中，压力传感器无处不在。MEMS技术的产生，将会极大地推动这些行业的传感器技术的进步与革新。
灵敏度是压力传感器核心性能指标之一，任何一个传感器检测过程都是不可避免的。本论文主要就是针对传感器灵敏度进行检测和研究，目标是寻找最高灵敏度的传感器结构。
灵敏度是反映电子器件性能十分重要的参数，在众多领域，尤其是测量行业，它都是必须进行关注和参考的重要数据。一个器件的灵敏度直接决定了它可达到的精度，而在航天，汽车以及半导体工艺这些精度要求十分高的行业，核心元件灵敏度的提高很可能带来的是整个产品性能的突破。对于传感器灵敏度提高的要求一直十分迫切，尤其是MEMS诞生之后，高精度，高灵敏度的传感器的研究探索出现了一个更加可靠，更加具有前景的方向。近些年，MEMS传感器科研项目的申请越来越多，无数的科研人员投入到了这个领域。
MEMS介绍及发展历史
微机电系统（MicroElectroMechanical Systems）简称为MEMS[13]，一般情况下，这是美国的叫法。它将集微型传感器、信号处理、控制电路、数据接口等结于一体，可批量操作是MEMS一个另一个十分重要的优点。实际上随着科学的研究发现，MEMS不仅仅局限于信息产业的应用，而是已经运用到许多其它类型的微实体，包括光学、热力学、流体学、声学等元件。因此，我们可以说，MEMS包含了非常广泛的内容，尤其是非可动性的机械部件等传统工业的内容是不可忽视的部分。
图11 MEMS组成示意图
如图11为MEMS组成示意图，研究MEMS的发展历程，不难发现MEMS是由集成电路技术发展演变而来的一项新技术，它的发展推动了信息产业以及传统工业的成长[4]。总结MEMS诞生至今，MEMS共经历了三次的商业化浪潮。第一轮商业化浪潮始于上世纪70年代末，人们利用体硅刻蚀和表面硅刻蚀结构开始制作压力传感器。研究人员发现硅片薄膜在压力的作用下会产生变形，使得其表面的压敏电阻随所受应力产生变化，倘若能通过电路检测这种变化，便可以把压力转换成电信号。通过对于电信号的测量，可以更加精确地研究压力传感器，提高工艺水平。压力传感器、静电执行器、电容感应加速器等各种新兴产品都是伴随着MEMS的发展[5]。最具代表性的产品为美国Analog Devices公司生产的加速度传感器，该传感器单片集成了可动微机械零部件和信号处理电路，现已经广泛运用于汽车行业的安全气囊系统中。
第二轮商业化浪潮主要开始于上世纪90年代初，计算机和信息的发展带来MEMS的革命和突破。那个时期，最具代表性的产品是美国TI公司推出的数字光处理芯片，该芯片主要用于投影显示，当它发布后，即被认为是MEMS技术在光学领域的一次重大突破。第二件代表性的产品是利用MEMS技术的热式喷墨打印头，它的设备成本低，打印的图片清晰高，即使是到了今天，仍然被人们广泛的使用着。第三轮商业化浪潮出现于本世纪初，MEMS技术在光学仪器上的突破有效地推动了光纤通信技术的进步。尽管现今微光学器件市场占有率比较低、成本也会比较高，技术还不太成熟，但MEMS微光学器件具有的低功耗、高效率的性能优势是传统电学器件不可比拟的。
从长远的角度看来，MEMS微光学器件是很值得研究人员花费更加的时间，金钱，精力去研究的，一旦有了突破性的进展，则MEMS微光学器件在光通信领域将获得强劲的增长，也会带来丰厚的回报。除了光学领域的应用以外，MEMS产业正在不断地扩展其应用的领域，比如医疗、工业设备、测试仪器、机械制造、卫星通信等[5]。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 背景 1
1.1.1 MEMS介绍及发展历史 1
1.1.2 MEMS的基本特征 3
1.1.3 MEMS的典型应用 3
1.1.4 MEMS的发展前景 4
1.2 MEMS传感器现状 4
1.2.1 国外现状 4
1.2.2 国内现状 5
1.3 本文主要研究内容 5
第二章 高灵敏度压力传感器灵敏度检测的原理 6
2.1 压阻效应 6
2.2 传感器薄膜结构说明 9
2.3 输出电压与应力关系 9
2.4 工作原理简述 13
2.5 本章小结 13
第三章 压力传感器薄膜模型的ANSYS分析 14
3.1 ANSYS软件 14
3.2 前处理阶段
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
14
3.2.1 材料的选择 14
3.2.2 各参数研究方法 16
3.3 加载求解阶段 17
3.4 ANSYS后处理阶段 18
3.5 本章小结 20
第四章 影响灵敏度因素的数据分析与结论 21
4.1 薄膜厚度 21
4.1.1 取值办法 21
4.1.2 统计数据表格 21
4.1.3 数据折线图 22
4.2 电阻位置 23
4.2.1 取值办法 23
4.2.2 统计数据表格 23
4.2.3 数据折现图 23
4.3 材料类型 24
4.3.1 取值办法 24
4.3.2 统计数据表格 24
4.3.3 数据折现图 25
4.4 结构类型 26
4.4.1 取值办法 26
4.4.2 数据表格 26
4.4.3 数据折线图 27
4.5 本章小结 27
第五章 总结与展望 28
5.1 总结 28
5.2 展望 29
致 谢 30
参考文献 31
附 录 33
科技文献翻译 33
绪论
背景
如今，传感器已经在全世界得到了广泛的应用，医疗卫生，安防，航空航天，通信网络等各行各业都离不开各种传感器的使用。但总体而言，当前整个世界的传感器技术的研究仍处在一个瓶颈阶段，MEMS的产生使传感器迎来了新的春天。
传感器技术的发展趋势是更加多元、精密、微型，科研人员普遍认为实现传感器的微型化可以推动真个行业的突破。在这样的背景下，MEMS微机电系统应运而生。 压力传感器，作为一种最常用的传感器，已经在很多行业中得到广泛应用，比如在通信网络，航空航天技术，水利水电工程、铁路等领域中，压力传感器无处不在。MEMS技术的产生，将会极大地推动这些行业的传感器技术的进步与革新。
灵敏度是压力传感器核心性能指标之一，任何一个传感器检测过程都是不可避免的。本论文主要就是针对传感器灵敏度进行检测和研究，目标是寻找最高灵敏度的传感器结构。
灵敏度是反映电子器件性能十分重要的参数，在众多领域，尤其是测量行业，它都是必须进行关注和参考的重要数据。一个器件的灵敏度直接决定了它可达到的精度，而在航天，汽车以及半导体工艺这些精度要求十分高的行业，核心元件灵敏度的提高很可能带来的是整个产品性能的突破。对于传感器灵敏度提高的要求一直十分迫切，尤其是MEMS诞生之后，高精度，高灵敏度的传感器的研究探索出现了一个更加可靠，更加具有前景的方向。近些年，MEMS传感器科研项目的申请越来越多，无数的科研人员投入到了这个领域。
MEMS介绍及发展历史
微机电系统（MicroElectroMechanical Systems）简称为MEMS[13]，一般情况下，这是美国的叫法。它将集微型传感器、信号处理、控制电路、数据接口等结于一体，可批量操作是MEMS一个另一个十分重要的优点。实际上随着科学的研究发现，MEMS不仅仅局限于信息产业的应用，而是已经运用到许多其它类型的微实体，包括光学、热力学、流体学、声学等元件。因此，我们可以说，MEMS包含了非常广泛的内容，尤其是非可动性的机械部件等传统工业的内容是不可忽视的部分。
图11 MEMS组成示意图
如图11为MEMS组成示意图，研究MEMS的发展历程，不难发现MEMS是由集成电路技术发展演变而来的一项新技术，它的发展推动了信息产业以及传统工业的成长[4]。总结MEMS诞生至今，MEMS共经历了三次的商业化浪潮。第一轮商业化浪潮始于上世纪70年代末，人们利用体硅刻蚀和表面硅刻蚀结构开始制作压力传感器。研究人员发现硅片薄膜在压力的作用下会产生变形，使得其表面的压敏电阻随所受应力产生变化，倘若能通过电路检测这种变化，便可以把压力转换成电信号。通过对于电信号的测量，可以更加精确地研究压力传感器，提高工艺水平。压力传感器、静电执行器、电容感应加速器等各种新兴产品都是伴随着MEMS的发展[5]。最具代表性的产品为美国Analog Devices公司生产的加速度传感器，该传感器单片集成了可动微机械零部件和信号处理电路，现已经广泛运用于汽车行业的安全气囊系统中。
第二轮商业化浪潮主要开始于上世纪90年代初，计算机和信息的发展带来MEMS的革命和突破。那个时期，最具代表性的产品是美国TI公司推出的数字光处理芯片，该芯片主要用于投影显示，当它发布后，即被认为是MEMS技术在光学领域的一次重大突破。第二件代表性的产品是利用MEMS技术的热式喷墨打印头，它的设备成本低，打印的图片清晰高，即使是到了今天，仍然被人们广泛的使用着。第三轮商业化浪潮出现于本世纪初，MEMS技术在光学仪器上的突破有效地推动了光纤通信技术的进步。尽管现今微光学器件市场占有率比较低、成本也会比较高，技术还不太成熟，但MEMS微光学器件具有的低功耗、高效率的性能优势是传统电学器件不可比拟的。
从长远的角度看来，MEMS微光学器件是很值得研究人员花费更加的时间，金钱，精力去研究的，一旦有了突破性的进展，则MEMS微光学器件在光通信领域将获得强劲的增长，也会带来丰厚的回报。除了光学领域的应用以外，MEMS产业正在不断地扩展其应用的领域，比如医疗、工业设备、测试仪器、机械制造、卫星通信等[5]。
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