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壓阻式壓力微傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學分析

2021-03-23 16:50:19

壓力傳感器應(yīng)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(diào)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(yīng)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(zhuǎn)化為一個較強的電學信號。用基于介觀壓阻效應(yīng)的共振隧穿薄膜替代傳統(tǒng)的壓阻式應(yīng)變片作為敏感元件,通過理論分析和仿真計算驗證了該結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)及GaAs,AlAs/InGaAsDBRT結(jié)構(gòu)薄膜
介觀壓阻效應(yīng)的定義為“等效電阻的應(yīng)力調(diào)制”,等效電阻是對共振隧效應(yīng)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(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布將發(fā)生變化;②一定條件下應(yīng)力變化可引起內(nèi)建電場的產(chǎn)生;③內(nèi)建電場將導致納米帶結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化。為一個較強的電學信號,體現(xiàn)出較大的壓阻系數(shù)。這里所用的介觀壓阻效應(yīng)元件為GaAs/A1As/InGaAsDBRT結(jié)構(gòu)薄膜納米級窄帶隙材料。隨著外部壓力引起的拉伸應(yīng)變的變化(如圖1所示),DBRT結(jié)構(gòu)的共振隧穿電流和阻抗顯著變化。并且,阻抗應(yīng)變輸出可由外部電壓有效調(diào)節(jié)。其優(yōu)點是靈敏度高、靈敏度可調(diào)、靈敏度隨溫度變化小。
壓阻式壓力微傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學分析
壓阻式壓力微傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學分析
3傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學分析
所設(shè)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(shè):小撓度理論;壓力是均勻作用于平膜片表面。由平膜片的應(yīng)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(nèi)、外電阻上所受徑向力的平均值;(△R/R)i,(△R/R)分別為內(nèi)、外電阻的相對變化。
根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)與應(yīng)力計算公式,推出被測壓力與應(yīng)變片測出的應(yīng)變關(guān)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(jīng)過分析,綜合考慮設(shè)計的要求,初步設(shè)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(yīng)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/InGaAsDBRT結(jié)構(gòu)薄膜。用傳遞矩陣法計算該薄膜在沿生長方向的應(yīng)力變化下的輸出響應(yīng),通過整個結(jié)構(gòu)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(zhì)量,kB為玻爾茲曼常數(shù),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(yīng)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(yīng)變。計算偏壓分別為0.75V和1.2V時的壓阻系數(shù)為:偏壓為1.2V時的壓阻系數(shù)為:

設(shè)偏壓為0.75V設(shè)偏壓為0.75V,電橋的激勵電壓為2.5V的情況下,該傳感器的靈敏度S為:
5結(jié)語
該結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)。同樣結(jié)構(gòu)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┒O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。

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