介觀(guān)壓阻型微壓力傳感器介紹

壓力傳感器應用廣泛，例如汽車(chē)中的多路壓力測量(如空氣壓力測量和輪胎系統、液壓系統、供油系統的壓力測量)、環(huán)境控制(如加熱、通風(fēng)和空氣調節)中的壓力測量、航空系統中的壓力測量以及醫學(xué)中動(dòng)脈血液壓力測量等。這里將在傳統壓力傳感器中使用一種新原理一介觀(guān)壓阻效應口，即在共振隧穿電壓附近，通過(guò)4個(gè)物理過(guò)程，將一個(gè)微弱的力學(xué)信號轉化為一個(gè)較強的電學(xué)信號。

用基于介觀(guān)壓阻效應的共振隧穿薄膜替代傳統的壓阻式應變片作為敏感元件，通過(guò)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(guān)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。

介觀(guān)壓阻效應及GaAs，AlAs/InGaAsDBRT結構薄膜

　　介觀(guān)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(gè)物理過(guò)程組成：①在力學(xué)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(chǎng)的產(chǎn)生；③內建電場(chǎng)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(huì )引起共振隧穿電流變化。簡(jiǎn)言之，在共振隧穿附近，通過(guò)上述過(guò)程，可將一個(gè)微弱的力學(xué)信號轉化。為一個(gè)較強的電學(xué)信號，體現出較大的壓阻系數。這里所用的介觀(guān)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(zhù)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(zhù)變化。并且，阻抗應變輸出可由外部電壓有效調節。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、靈敏度可調、靈敏度隨溫度變化小。

傳感器結構設計及力學(xué)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(gè)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(shí)，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(guò)計算即可得出壓力變化如圖2所示。

　　計算時(shí)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r0．635R時(shí)，σ>0；

　　同樣，當r=0．812R時(shí)，σT=0，且σr0，如圖3所示。在圓形硅膜片上，沿[110]晶向，在0．635R半徑內外各擴散2個(gè)電阻，并適當安排擴散的位置，使得σn=一σro，則有(△R／R)i=一(△R/R)