壓力傳感器的過載保護實現

　　圖2 壓力芯片照片

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

　　圖3 壓力芯片輸出特性測試結果

　　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到設計要求。經過分析，出現圖3 所示的現象應該是由于芯片的密封腔體有泄漏引起的。雖然有泄漏，但芯片仍然表現出了壓力敏感特性，而且利用多晶硅納米膜研制的硅杯結構壓力傳感器能夠滿足設計要求。因此，改善工藝解決泄漏問題后，犧牲層結構多晶硅納米膜壓力傳感器的性能應該能滿足設計要求。

2 犧牲層厚度對過載能力的影響

　　對于上述0.1 MPa 傳感器，當最大應力達到硅的斷裂強度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，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合的方法，對犧牲層厚度進行優(yōu)化設計，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散硅壓力傳感器，其壓力敏感結構上的二氧化硅和氮化硅等絕緣或保護層厚度比彈性膜厚度小很多，一般在結構分析和應力分布分析中可以忽略它們的影響。但是，本文的犧牲層結構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力分布的影響。

　　利用有限元法對上述0. MPa 傳感器的力敏結構進行模擬分析，可知當加載壓力使膜片上的最大應力剛好達到硅的斷裂強度時，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