壓力傳感器的過載保護(hù)實(shí)現(xiàn)

　　圖2 壓力芯片照片

　　采用氣體加壓的方式對芯片樣品進(jìn)行了測試。測試溫度條件為室溫，激勵源為1 mA 恒流源，其輸出特性測試結(jié)果如圖3 所示。

　　圖3 壓力芯片輸出特性測試結(jié)果

　　由圖3 可見，隨著壓力載荷的增加，輸出電壓并未隨之線性增加，其增加的程度逐漸減小，而且滿量程輸出未達(dá)到設(shè)計要求。經(jīng)過分析，出現(xiàn)圖3 所示的現(xiàn)象應(yīng)該是由于芯片的密封腔體有泄漏引起的。雖然有泄漏，但芯片仍然表現(xiàn)出了壓力敏感特性，而且利用多晶硅納米膜研制的硅杯結(jié)構(gòu)壓力傳感器能夠滿足設(shè)計要求。因此，改善工藝解決泄漏問題后，犧牲層結(jié)構(gòu)多晶硅納米膜壓力傳感器的性能應(yīng)該能滿足設(shè)計要求。

2 犧牲層厚度對過載能力的影響

　　對于上述0.1 MPa 傳感器，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度4.5 × 108 N/m2 時，膜片底部與襯底不發(fā)生接觸，過載能力不高。如果減小犧牲層厚度使膜片斷裂前與襯底接觸便可提高過載能力，犧牲層厚度越小過載能力越強(qiáng)，但不可避免會引入非線性形變，因此本文將利用靜態(tài)線性分析與非線性接觸分析相結(jié)合的方法，對犧牲層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高壓力傳感器的過載能力。

　　2.1 過載能力及極限過載能力

　　對于采用濕法腐蝕的擴(kuò)散硅壓力傳感器，其壓力敏感結(jié)構(gòu)上的二氧化硅和氮化硅等絕緣或保護(hù)層厚度比彈性膜厚度小很多，一般在結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)力分布分析中可以忽略它們的影響。但是，本文的犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的多晶硅彈性膜片厚度為3 μm、二氧化硅絕緣層厚度為0.5 μm，二氧化硅層厚度相對于多晶硅而言不可以忽略，所以在優(yōu)化模擬仿真時需要考慮其對應(yīng)力分布的影響。

　　利用有限元法對上述0. MPa 傳感器的力敏結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，可知當(dāng)加載壓力使膜片上的最大應(yīng)力剛好達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時，膜片中心的撓度為1.6 μm。顯然，犧牲層厚度H2 1.6 μm 時，膜片在斷裂前可與襯底接觸，因此，需要采用非線性接觸分析來計算過載能力; 而犧牲層厚度H2≥1.6 μm 時，無需考慮膜片與襯底接觸問題。

　　犧牲層厚度H2 1.6 μm 時，隨著犧牲層厚度的減小，使膜片與襯底剛好接觸所加載的壓力也隨之減小，當(dāng)犧牲層厚度減小使該加載壓力減小到剛好滿量程壓力時，犧牲層厚度不可再減