基于SON结构的气压传感器的集成设计

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MEMS电容式压力传感器因响应时间短、温度范围宽且灵敏度高等优点被广泛应用。随着智能手机系统、GPS定位、人体健康监测系统等便携式电子产品的发展,要求传感器具有微型化、集成化、多功能等特点,因此本文提出一种基于SON结构的绝对压力/差压集成传感器,其中绝对压力传感器是一种感压膜中间固定的电容式绝对压力传感器,用于提高绝对压力传感器的线性度,差压传感器是一种感压膜中间开孔的新型电容式差压传感器,用于实时动态压力测量,这两种传感器集成可以实现绝对气压和相对气压、静态气压和动态气压的同时测量,对传感器的小型化、集成化具有重要的意义。将SON(Silicon-on-Nothing)结构用于压力传感器中,可为压力传感器提供无需密封的一体真空腔和可控厚度的感压硅膜,解决了密封腔体的真空稳定性以及电极线引出的问题。本文主要完成工作如下:(1)SON结构的绝对压力/差压集成传感器的理论研究。对绝对压力传感器和差压传感器工作原理进行分析;采用板壳理论和电容计算公式建立压力-变形、压力-电容理论计算模型,并给出差压传感器的灵敏系数和响应时间计算公式;分析结构参数对绝对压力传感器和差压传感器性能的影响。结果表明对绝对压力传感器性能影响最大的是感压膜半径,其次是感压膜厚度,中间固定区域大小主要影响传感器的强度;对差压传感器阻尼比影响最大的是腔体高度、感压膜开孔半径,其次是感压膜半径和厚度。此外,可通过调节阻尼比ξ控制差压传感器的响应时间,阻尼比越大差压传感器的响应时间越长,压力差对响应时间无影响。(2)利用ANSYS有限元分析软件对绝对压力传感器和差压传感器进行模拟仿真。对绝对压力传感器进行静力分析,得到其在均布压力载荷下的变形、应力和应变分布;分别对两种腔体深度的差压传感器进行单向流固耦合,得到其在不同工作模式下腔体内部压力动态变化规律以及感压膜变形量,为传感器结构优化提供依据。(3)绝对压力/差压集成传感器的制作。基于Auto CAD软件完成集成压力传感器掩膜版的版图设计和绘制,通过光刻加工、真空高温退火、硅玻璃阳极键合等工艺流程,制作出具有SON结构的传感器,并完成上下电极的引出。(4)对制备的传感器进行测试。分别搭建绝对压力传感器和差压传感器的测试系统,测试结果表明:16个感压膜半径r1=200μm,中间固定区域半径r0=4.2μm,感压膜厚度t1=2.5μm,电极间距g=5μm的绝对压力传感器,在30120kPa压力下,全量程内线性度为5.254%,灵敏度为4.634pF/Pa,重复性误差为6.25%,迟滞误差为4.638%,绝对压力传感器整体性能良好;感压膜半径r3=750μm,中间开孔半径r2=5μm,感压膜厚度t2=5μm,传感器腔体高度h2=5μm,电极间距g=5μm的差压传感器,在-60Pa60Pa压差下其灵敏系数为1.554×10-4Pa-1。-40Pa压差下其响应时间为40s左右,与理论计算的结果误差为12.5%。随着压差增大,传感器的响应时间略有增加且进气过程比出气过程的响应时间长,是由于差压传感器腔体体积变化造成阻尼改变,后期可通过增大差压传感器腔体体积缩短响应时间和响应时间差值。
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