硅膜片电容压力传感器cad

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1、传感器 技术?年第?期矿如加加加如气泛竺塑夕硅膜片电容压力传感器? 徐科军马文?合肥工业大学电气 系?摘要本文用数值方法计算?型和?型硅膜片电容压 力传感器的输人、输出关系及性能、指标,给出了能 减少非线性误差 的新的电极形状。? ? ? ? ? 一? ? ? ? ? ? !? ? ? ? ? ?,? ? ? ? ? ? ? ?一? ?,?位? ? !? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?一、引言与 硅怀式压阻压力传感器相比,硅膜片电容压力传感器有下列优点?温度系数低、压力灵敏度高、功耗小。然而,它采用的是变间隙原理,存在着非线性误差。本文按

2、照弹性厚板理论,用等参元素法,分 别计算了?型和?型硅膜片电容压力传感器的压力、挠度和 电容量关系,分析其结构和各种电极形状的特点,为研制高性能的传感 器提供先进的方法和软件。二、理 论分析传感器的敏感元件是硅膜片,其 上有一电极,另一电极是在玻璃 上蒸镀 的圆形金属膜,为了克服电极电场边缘效应的影响,玻璃上还蒸 镀了一个环状电极。硅杯和 玻璃 用静 电焊 接技术封装在一起,组成一个圆形平板电容器。图?是其结 构示意图。两电 极间隙约? ?协?左右,是由在硅膜片上腐蚀的凹坑 而形成。上 电 极中,敏感部分是直 径为? ? ?的圆,外边 的保护环宽?外径为?。下电极是直 径为?的圆。硅膜片厚 几

3、百?。?计算方法基本结构收稿 口期?年?拐? ?仁通传感器技术?移?电极下电极图?计算传感器膜片的工作特性,曾用 过有限差分法,艺?和解析 方 法“?,解析方法不能给出变厚度膜片和?型膜片的准确解,只有在作了较大的简化后才能处理。本文采 用基 于? ? ? ?厚板原理 的等参元素法来求解。考虑膜片所具有 的对称性,只取其四分之一计算,场域 剖 分 的简 图如 图?所示。?。?天?式中,?为上面敏感电极的半径?凡为保护环 的内半径。计算和设计在? ?一?中 型机上完成?其程序框图如下?匕二二比一仇一口,一?图?根据实际工 艺情况,此为固支圆板?根据结构参数和测 量范围,此 为弹性小挠度问题。求出

4、各单元的平均挠度后,电容的计算公 式为? ? ?产生计算传感器特性所所必必备的几何、物理数据据计计算刚度矩阵阵加加入载荷荷波波前法解方程程各各节点和单元位移移计计算输出电容最最?一?一百?“?一习“?二?艺刃一非线性误差、灵?式中,?为介电常数?为第?个单元的面积? ?为初始间隙泪?为?单元的 间 隙增量。注意,计算电容 时所用的面 积并非是中间敏感 电极的面 积。考虑电极电场的边缘效 应和 保护环的抑制作用,定义有效面积的半径?。?为?,?、?一牡瞥户图?传感器技术计算值的比较见表?和图?所 示。表 中?。、为膜片最大挠度。八飞?勺。匕?一户一一虚线为买侧值实线为计算值一一扩一犷一飞?一两艾

5、而两计 ? ? ? 叶 ? ?璐 ?仁?叮乙 舀行,上?理论和实测 结果传感器由安徽电子科学研究所传感器室试制,其具体参数为?硅膜片 厚?协?,上敏感 电极直径为? ?,保护环 的电极内径为?外径为?,有效半径为?。因为是试制,?型膜片周边 的沟槽开得较浅,其深为? ?卜?。两电极 间隙为?协?。测试时,将传感器安装在活塞式压力计上,由?型电容自动测量仪测 量传感器 的输出电容量。实验中会有寄生电容的影响,即电极与传感器外壳 间的电容附加在工作电容上,我们设法测 出了这一寄生电客,将其 从实测数据中扣除。实测值与表?拐一? ?一? ? ? ? 一? ?通?一?兮?一。?泞?工,口?臼?臼? ?

6、一? ?,器一?一叫问同? ? ! 一? ? ! ?一?实测计算?叮?计算一不犷。?卜? ?了?“? !#?#一一36.2签n。“3 .谕一百蒯万丽一万云三、各种设计 方案的比较1.当电极形状、面 积 相同,均为圆形 时,C型膜片和E型膜片的比较设t。表 示C型膜片厚度以及E型膜片中圆心部分的厚度,tE表示E型膜片沟槽处的厚度。NLI表示非线性误差,定义为实际特性曲线与其最小二乘法拟合直线之间的最大偏差与输出量最大变化范围之比。SEN为绝对灵敏度,即输出量的最大变化范 围。RSEN为相对灵敏度,即绝对灵敏度被输出量的中值所除。敏感电极半径为3.6m m,各方案比较见表2。2.均为C型膜片,其厚

7、27郎m,电极形状不同的比较,其结果见表3。说明,阴影部分为计算电容时的有效面积,艺为有效面积的内半径多,。为外半径;:。为方孔对角线长度的一半。3.敏感 电极形状相 同,但面积不同时的比较设感压膜片为C型,厚度27郎m,敏感电极 均为环状,比较结 果见表4。设感压膜片为E型,tC为27郎m,tF为200协m,比较结果见表5。4.当敏感电极形状、面积 相同,均为环形时,不同感压膜片的比较设环形电极的:.为lmm,了。为3.6mm,比较结果见表6。5.电极形状、面积以及C型膜片厚与E型膜沟槽处厚度相同时,C型 和E型的比较,比较结果见表7。四、几点看 法1.与以往 几种计算方法相比,等参元素法处

8、理问题的能力更强,厚板原理计传感器技术39咖臀勺!6户”2昌节日矛1 1耸O军日禽“2宕节日户”结O节日君”召O节日,。“0.sm mro1 13.6日日一_._P X 10sPa)C 匕 哟)侧。a l(节m)CPF买.a x(公m)自PF买。器公日CPF宙一:滩:,梦甲一户l甲丈、。1己,It心军 夕!【r叼 刁二,口,已口一厂石一一厂舀宁护1尸!产性 更,10,一 O翻l卜 J 翻10,一 Q 多l一 刁忿。”or z咭若p ? 1间0 8胃男l l l l lt t t心心. . . . .口口, ,O O O1 1 1月月二二髻髻- - -心心j j j. . . . .亡亡O O

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23、直 电流与台面宽度成正比,而横向电流与台宽无关。横向效应对台高十分敏感,在I ns b的所有检测波长相应的吸收深度比扩散长度小得 多时,不同波长的横向效应相差不大。当少子扩散长度与光敏二极管线度具有同一数量级时,不能忽略光灵敏度的横向效应。3。电涡流传感器由于电涡流传感器的有关因素关系极其复杂,所以电涡流的数值计算 开发较晚。用有限元或B样条有限元法等算得场的分布,进而用直接法或能量法求得线圈阻抗。寻找阻抗幅值和位相变化与缺陷的形状大小及其位置的关系,使涡流无损检测向定量化发展,与材料、缺陷参数等密切相关的检测频率可以方便地优选,可以优化设计探头。4.磁敏器件这也是开发较晚的器件,这是因为边界

24、与磁场的复杂作用等改变了场的某些对称性,所以大大增加了数值分析的难度。对于磁敏二极管,具有高复合区困难就更大了。但现在发展较快。通过计算发现,电极分开式的霍尔片更利于磁场检测。通过不同几何形状,不同掺杂水平下的灵敏度计算可以优 化设计。霍尔片的场分布对长宽比敏感,而对其长度、宽度值(大于 小m)不敏感。对于磁敏二极管,我们对它作了二维数值分析,不久即可见到报导。5.工艺过程的数值分析用蒙特卡洛法可以计算杂质扩散,氧化层厚度,注入 水平 等,使工艺优化。这是急待发展的很重要的课题。(上接41页)入横向剪切效应,比用薄板原理求解硅电容压力传感器更准确。2。至少在本文所讨论的 测量范围内,采用E型膜

25、片不能减少输出特性的非线性误差(E型膜片用 于微压测 量)。采用E型膜片,可大大提高灵敏度。要改善线性度,则应选择合适的电极形状,如环形电极。这两项指标的提高,往 往是矛盾的,兼顾的方法是,在E型膜片上镀环形电极。3.传感器的设计变量有膜厚、周边沟槽 的宽度 和深度、电极的形状 和尺寸等,若给定具休设计要求和工艺条件,便可用本文所编制的程序去实现参数的最佳配置。木文的实验工作得到安徽 电子科学研究所张武扬高级工程师的热情 帮助,在此深表谢意。参考文献i5.K。ClarkandK.D.Wise,IEEETrans。EleetronDeviees,ED一29(1982),34一412Y.5.Lee andK.D.Wise,IEEETrans.ElcetronDevieos,ED一29(1982),42一483T.Y.Bin and R.S.Huang,SensorsandAetuators,11(1987),1一224王化祥,自动 化 仪表,2(1985),18一19