MEMS
与 器 件 技 术
MEMS Device & Technology
面向动态压力测量的微型压力传感器敏感结构
西 北 工 业 大 学陕 西 省 微 纳 米 系 统 重 点 实 验 室 西 安 （ ／ ， ） ７ １ ０ ０ ７ ２ 摘 要 围 绕 微 型 压 力 传 感 器 的 动 态 性 能 对 压 力 敏 感 结 构 设 计 进 行 了 研 究 结 合 有 限 元 分 析 掌 握 ： 。 ， 膜 厚 膜 片 平 面 尺 寸 对 于 固 有 频 率 灵 敏 度 的 影 响 规 律 了 压 阻 式 微 型 压 力 传 感 器 的 膜 片 形 状 、 、 、 ， 明 确 了 固 有 频 率 灵 敏 度 与 敏 感 结 构 形 状 尺 寸 间 的 关 系 结 合 研 发 实 例 利 用 时 域 暂 态 有 限 元 分 、 。 ， 析 研 究 了 不 同 厚 度 的 正 方 形 敏 感 膜 片 对 于 正 弦 阶 跃 压 力 载 荷 的 动 态 响 应 情 况 研 究 表 明 较 ， 、 。 ， 较 大 的 膜 片 厚 度 有 利 于 获 得 高 的 固 有 频 率 从 而 得 到 较 宽 的 工 作 频 带 小 的 敏 感 膜 片 平 面 尺 寸 、 ， 、 。 较 快 的 响 应 速 度 关 键 词 动 态 压 力 测 量 有 限 元 微 型 压 力 传 感 器 动 态 性 能 瞬 态 响 应 时 间 ： ； ； ； ； ： ： ： （ ） 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号 Ｔ Ｐ ２ １ ２ ． １ Ａ １ ６ ７ １ － ４ ７ ７ ６ ２ ０ ０ ９ ０ ６ － ０ ３ ６ ２ － ０ ４
（ ） （ ）
p+ （
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SiO2 Ｓi
不 同 形 状 膜 片 的 应 力 分 析 ２ １ ． 首 先 进 行 敏 感 膜 片 的 应 力 分 析 找 出 压 敏 电 阻 ， 。 条 的 合 理 位 置 应 布 置 在 应 力 最 大 处 、 常 用 的 弹 性 膜 片 主 要 有 圆 形 矩 形 以 及 正 方 形 。 等 圆 形 膜 片 和 正 方 形 膜 片 的 最 大 机 械 应 力 分 别 由 ［ ］ ３ 以 下 两 式 给 出， 即 图 压 阻 式 压 力 传 感 器 结 构 １ ２ · · ０ ． ７ ５ 狉 Δ 狆 （ ） ， Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｉ ｅ ｚ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ＝ １ ｇ ｐ ｐ σ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ａ ｒ ｍ ａ ｘ ２ 犱 ２ · · ０ ． ３ ０ ７ ８ 犪 Δ 狆 （ ） ， ＝ ２ ｓ ｕ ａ ｒ ｅ ｍ ａ ｘ ｑ 本 实 验 室 设 计 研 发 了 用 于 气 动 测 量 领 域 的 压 阻 σ ２ 犱 。 微 压 力 传 感 器 基 底 尺 寸 为 Ｓ ｉ Ｓ ｉ １ ９ ５ ０ ｍ × １ ９ ５ ０ 式 ： ； ； 中 为 微 分 压 力 为 膜 片 厚 度 为 正 方 μ 犱 犪 Δ 狆 ， 敏 感 膜 片 尺 寸 为 ｍ × ４ ０ ０ ｍ ９ ５ ０ ｍ × ９ ５ ０ ｍ × ； 。 膜 片 的 有 效 边 长 为 圆 形 膜 片 的 半 径 μ μ μ μ 形 狉 。 。 版 图 设 计 如 图 所 示 ３ ０ ｍ ２ 对 上 述 圆 形 和 正 方 形 膜 片 进 行 有 限 元 μ Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 首 先 在 晶 圆 背 面 各 向 异 性 刻 蚀 形 成 空 腔 ，分 Ｓ ｉ 析 依 据 研 发 实 例 设 计 参 数 如 下 正 方 形 敏 感 。 ， ： 未 刻 透 的 腔 底 形 成 可 感 受 外 界 压 力 而 变 形 的 弹 性 膜 膜 ； 片 基 底 尺 寸 为 ９ ５ ０ ｍ × ９ ５ ０ ｍ × ３ ０ ｍ Ｓ ｉ μ μ μ 在 膜 片 正 面 的 敏 感 位 置 掺 杂 形 成 压 敏 电 阻 沉 １ 。 ， 片 圆 形 敏 感 膜 片 直 ； ９ ５ ０ ｍ × １ ９ ５ ０ ｍ × ４ ０ ０ ｍ μ μ μ 万方数据 年 月 微 纳 电 子 技 术 第 卷 第 期３ ２ ０ ０ ９ ６ ４ ６ ６ ６ ３
万方数据 犕 犻 狀 犻 犮 犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 Ｖ ｏ ｌ ． ４ ６ Ｎ ｏ ． ６ 狌 狀 犲 ２ ０ ０ ９ ３ ６ ２ 犑 犵 狔
（ ， 犕 犻 犮 狉 狅 犪 狀 犱 犖 犪 狀 狅 犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犿 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾 犛 狊 狋 犲 犿 狊 犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 犖 狅 狉 狋 犺 狑 犲 狊 狋 犲 狉 狀 狔 狔 ， ， ） 犡 犻 ＇ 犪 狀 ７ １ ０ ０ ７ ２ 犆 犺 犻 狀 犪 犘 狅 犾 狋 犲 犮 犺 狀 犻 犮 犪 犾 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔 狔
， ， Ｒ ｅ ｎ Ｗ ｅ ｉ Ｍ ａ Ｂ ｉ ｎ ｈ ｅ Ｌ ü Ｈ ａ ｉ ｆ ｅ ｎ ｇ ｇ
： 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｍ ｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｅ ｚ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｇ ｐ ｐ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ｗ ａ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ． Ｗ ｉ ｔ ｈ Ｆ Ｅ Ａ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｐ ｙ ｐ ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｄ ｉ ｅ ｚ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｙ ｐ ｐ ｙ ｐ ， ， ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｗ ａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｍ ｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｓ ｈ ａ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｓ ｈ ａ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｐ ， ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ Ｆ Ｅ Ａ ｔ ｈ ｅ ｑ ｙ ｙ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ａ ｒ ｅ ｍ ｅ ｍ ｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ ｙ ｐ ｑ ｐ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｍ ｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｓ ｍ ａ ｌ ｌ ｅ ｒ ｐ ｐ ， ｌ ａ ｎ ｅ ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｅ ｒ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｂ ｅ ｎ ｅ ｆ ｉ ｔ ｔ ｏ ａ ｉ ｎ ａ ｈ ｉ ｈ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｄ ｅ ｒ ｆ ｒ ｅ ｐ ｇ ｇ ｑ ｙ ｕ ｅ ｎ ｃ ｂ ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｈ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｓ ｅ ｅ ｄ ． ｑ ｙ ｇ ｐ ｐ ： ； ； ； 犓 犲 狑 狅 狉 犱 狊 ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ Ｆ Ｅ Ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｙ ｐ ｐ ｙ 狔 ； ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｔ ｉ ｍ ｅ ｐ ｐ ： ／ ： ； 犇 犗 犐 １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ － ４ ７ ７ ６ ． ２ ０ ０ ９ ． ０ ６ ． ０ ０ ８ 犈 犈 犃 犆 犆 ７ ３ ２ ０ Ｖ ７ ２ ３ ０ Ｍ ｊ ， 的 压 力 测 量 任 务 而 动 态 压 力 测 量 存 在 着 广 泛 而 重 引 言 ０ ， 、 、 要 的 需 求 针 对 风 洞 试 验 飞 行 测 试 试 验 实 时 飞 ， 、 测 试 例 如 机 翼 的 气 流 压 力 分 布 叶 栅 的 脉 动 压 、 、 航 空 航 天 汽 车 工 业 自 动 化 等 领 域 涉 及 大 量 行
任 卫 等 面 向 动 态 压 力 测 量 的 微 型 压 力 传 感 器 敏 感 结 构 ：
、 、 、 力 机 翼 的 抖 动 大 气 数 据 变 化 流 量 的 动 态 变 化 积 形 成 连 接 压 敏 电 阻 的 金 属 导 线 以 及 用 来 和 外 围 电 ， 。 等 气 动 测 量 任 务 对 动 态 压 力 测 量 的 需 求 尤 为 急 路 相 连 接 的 焊 盘 ［ ］ １ 迫 。 片 槽 引 线 孔 版 传 感 器 边 缘划 微 型 压 力 传 感 器 具 有 体 积 小 耗 能 低 响 应 快 、 、 ， 在 动 态 压 力 测 量 方 面 具 有 广 阔 应 用 空 的 特 点 ［ ］ ２ 。 、 间 压 阻 式 传 感 器 是 最 典 型 的 应 用 最 广 的 一 类 通 孔 电 接 触 区 ， 微 型 压 力 传 感 器 其 弹 性 敏 感 膜 片 是 核 心 敏 感 结 导 线 ， 。 ， 构 对 于 器 件 的 动 态 性 能 有 重 要 影 响 截 至 目 前 键 合 区 域 面 膜 片 刻 蚀 边 缘 围 绕 动 态 性 能 进 行 微 型 压 力 传 感 器 敏 感 结 构 的 研 究 背 。 较 少 电 阻 条 本 文 重 点 对 压 阻 式 微 压 力 传 感 器 的 敏 感 结 Ｓ ｉ 盘 区 欧 姆 接 触 区 焊 ） ， 构 进 行 分 析 采 用 有 限 元 软 件 计 算 了 不 同 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 图 压 力 传 感 器 版 图 设 计 ２ ， 掌 握 了 敏 感 膜 片 的 尺 寸 弹 性 敏 感 结 构 的 固 有 频 率 Ｆ ｉ ． ２ Ｌ ａ ｏ ｕ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｅ ｓ ｏ ｒ ｇ ｙ ｐ ｎ 、 ， 边 长 厚 度 对 固 有 频 率 的 影 响 分 析 了 在 正 弦 和 阶 ， 敏 感 结 构 的 动 态 性 能 和 响 应 规 跃 压 力 载 荷 作 用 下 、 ， 在 室 温 外 界 气 压 的 条 件 下 对 ２ ５ ℃ ９ ７ ｋ Ｐ ａ 。 律 ， · 传 感 器 样 件 进 行 了 测 试 其 灵 敏 度 大 于 ２ ． ５ ｍ Ｖ － １ － １ · （ ） ， 。 敏 感 结 构 固 有 频 率 为 Ｖ １ ０ ｋ Ｐ ａ ５ ８ ０ ｋ Ｈ ｚ 压 力 敏 感 结 构 １ ， 为 进 一 步 提 高 动 态 特 性 传 感 器 需 要 高 的 固 有 ，频 压 阻 式 压 力 敏 感 结 构 的 平 面 布 局 如 图 所 示 １ ， 、 率 以 便 获 得 快 的 响 应 速 度 宽 的 工 作 频 率 范 利 用 惠 斯 顿 电 桥 可 将 阻 值 变 化 转 化 为 电 压 输 出 信 围 。 ， 、 、 但 是 固 有 频 率 受 到 弹 性 膜 片 形 状 厚 度 平 。 号 ， ， 面 尺 寸 的 影 响 与 灵 敏 度 有 直 接 的 关 系 本 文 针 对 。 上 述 问 题 展 开 了 研 究 空 腔 压 敏 电 阻 弹 性 膜 片