壓阻式壓力微傳感器的結構設計及力學分析

1 引言

壓力傳感器應用廣泛，例如汽車中的多路壓力測量（如空氣壓力測量和輪胎系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的壓力測量）、環(huán)境控制（如加熱、通風和空氣調節(jié)）中的壓力測量、航空系統(tǒng)中的壓力測量以及醫(yī)學中動脈血液壓力測量等。這里將在傳統(tǒng)壓力傳感器中使用一種新原理一介觀壓阻效應口，即在共振隧穿電壓附近，通過4個物理過程，將一個微弱的力學信號轉化為一個較強的電學信號。用基于介觀壓阻效應的共振隧穿薄膜替代傳統(tǒng)的壓阻式應變片作為敏感元件，通過理論分析和仿真計算驗證了該結構對傳感器靈敏度、固有頻率的影響，從理論上證明了介觀壓阻效應原理可以提高壓力傳感器的靈敏度，擴大其測量頻率的范圍。

2 介觀壓阻效應及GaAs，AlAs/InGaAsDBRT結構薄膜

介觀壓阻效應的定義為“等效電阻的應力調制”，等效電阻是對共振隧效應的一種具體描述。由4個物理過程組成：①在力學信號下，納米結構中的應力分布將發(fā)生變化；②一定條件下應力變化可引起內建電場的產生；③內建電場將導致納米帶結構中量子能級發(fā)生變化；④量子能級變化會引起共振隧穿電流變化。簡言之，在共振隧穿附近，通過上述過程，可將一個微弱的力學信號轉化。為一個較強的電學信號，體現出較大的壓阻系數。這里所用的介觀壓阻效應元件為GaAs/A1As/InGaAs DBRT結構薄膜納米級窄帶隙材料。隨著外部壓力引起的拉伸應變的變化（如圖1所示），DBRT結構的共振隧穿電流和阻抗顯著變化。并且，阻抗應變輸出可由外部電壓有效調節(jié)。其優(yōu)點是靈敏度高、靈敏度可調、靈敏度隨溫度變化小。

3 傳感器結構設計及力學分析

所設計的壓阻式壓力微傳感器，其制法是將N型硅腐蝕成厚10～25μm的膜片，并在一面擴散了4個阻值相等的P型電阻。硅膜片周邊用硅杯固定，則當膜片兩面有壓力差時，膜片即發(fā)生變形，從而導致電阻變化。用微電路檢測出這種電阻變化，通過計算即可得出壓力變化如圖2所示。

計算時假設：小撓度理論；壓力是均勻作用于平膜片表面。由平膜片的應力計算公式可知：

當r0；

同樣，當r=0．812R時，σT=0，且σr

這樣即可組成差動全橋電路，測出壓力P的變化。式中σri，σro分別為內、外電阻上所受徑向力的平均值；（△R／R）i，（△R/R）分別為內、外電阻的相對變化。

根據膜的結構與應力計算公式，推出被測壓力與應變片測出的應變關系：

式中：μ為硅材料的泊松比，μ=O.35；R，r，h分別為硅膜片的有效半徑，計算半徑，厚度；E為硅材料的模量，E=8．7Gpa；P為作用于平膜片上的壓力；ω為平膜片的撓度；

經過分析，綜合考慮設計的要求，初步設定：h=20μm，R=200μm。其固有頻率可以按下式計算：

4 傳感器的性能分析與計算

使用介觀壓阻效應原理代替壓阻原理來檢測壓力，將圓膜片上的的壓敏電阻換成GaAs／A1As／InGaAs DBRT結構薄膜。用傳遞矩陣法計算該薄膜在沿生長方向的應力變化下的輸出響應，通過整個結構的隧穿電流密度可表示為：

式中：e為電子電荷的大小，m*為GoAs電子的有效質量，kB為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，EF為費米能級，E1為入射電子垂直（縱向）能量。

利用公式可計算出不同拉伸應變下隧穿電流隨偏壓的變化，如圖4所示。圖中實線、虛線分別表示0和5％的拉伸應變。計算偏壓分別為0．75 V和1.2 V時的壓阻系數為： 偏壓為1.2V時的壓阻系數為：

設偏壓為0．75 V設偏壓為0．75 V，電橋的激勵電壓為2．5 V的情況下，該傳感器的靈敏度S為：

5 結語

該結構的壓力微傳感器由于敏感元件與變換元件一體化，尺寸小，其固有頻率很高，可以測量頻率范圍很寬的脈動壓力。在不同的偏壓下，該傳感器的靈敏度不同。說明靈敏度可調節(jié)。同樣結構的微壓力傳感器，如果敏感元件是硅或銅鎳合金壓敏電阻，其靈敏度分別為0．38x104V／m和O．17×104V／m?？梢姴捎霉舱袼泶?a target="_blank">二極管做為敏感元件的微壓力傳感器其靈敏度較之傳統(tǒng)的傳感器得到了很大的提高。

責任編輯：gt