介觀(guān)壓阻型微壓力傳感器設計

　　l 引言

　　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。

　　2 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。

　　3 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r<0.635R時(shí)，σ>0;

　　同樣，當r=0.812R時(shí)，σT=0，且σr<0，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)

　　這樣即可組成差動(dòng)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(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(guò)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(guān)壓阻效應原理代替壓阻原理來(lái)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(cháng)方向的應力變化下的輸出響應，通過(guò)整個(gè)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(zhì)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(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)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(shí)的壓阻系數為：

　　傳感器的輸出為：

　　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(yǔ)

　　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(dòng)壓力。在不同的偏壓下，該傳感器的靈敏度不同。說(shuō)明靈敏度可調節。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?jiàn)采用共振隧穿二極管做為敏感元件的微壓力傳感器其靈敏度較之傳統的傳感器得到了很大的提高。