介觀壓阻型微壓力傳感器設(shè)計(jì)

　　l 引言

　　壓力傳感器應(yīng)用廣泛，例如汽車(chē)中的多路壓力測(cè)量(如空氣壓力測(cè)量和輪胎系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的壓力測(cè)量)、環(huán)境控制(如加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié))中的壓力測(cè)量、航空系統(tǒng)中的壓力測(cè)量以及醫(yī)學(xué)中動(dòng)脈血液壓力測(cè)量等。這里將在傳統(tǒng)壓力傳感器中使用一種新原理一介觀壓阻效應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)較強(qiáng)的電學(xué)信號(hào)。用基于介觀壓阻效應(yīng)的共振隧穿薄膜替代傳統(tǒng)的壓阻式應(yīng)變片作為敏感元件，通過(guò)理論分析和仿真計(jì)算驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器靈敏度、固有頻率的影響，從理論上證明了介觀壓阻效應(yīng)原理可以提高壓力傳感器的靈敏度，擴(kuò)大其測(cè)量頻率的范圍。

　　2 介觀壓阻效應(yīng)及GaAs，AlAs/InGaAsDBRT結(jié)構(gòu)薄膜

　　介觀壓阻效應(yīng)的定義為“等效電阻的應(yīng)力調(diào)制”，等效電阻是對(duì)共振隧效應(yīng)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(hào)下，納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布將發(fā)生變化;②一定條件下應(yīng)力變化可引起內(nèi)建電場(chǎng)的產(chǎn)生;③內(nèi)建電場(chǎng)將導(dǎo)致納米帶結(jié)構(gòu)中量子能級(jí)發(fā)生變化;④量子能級(jí)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(hào)轉(zhuǎn)化。為一個(gè)較強(qiáng)的電學(xué)信號(hào)，體現(xiàn)出較大的壓阻系數(shù)。這里所用的介觀壓阻效應(yīng)元件為GaAs/A1As/InGaAs DBRT結(jié)構(gòu)薄膜納米級(jí)窄帶隙材料。隨著外部壓力引起的拉伸應(yīng)變的變化(如圖1所示)，DBRT結(jié)構(gòu)的共振隧穿電流和阻抗顯著變化。并且，阻抗應(yīng)變輸出可由外部電壓有效調(diào)節(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、靈敏度可調(diào)、靈敏度隨溫度變化小。

　　3 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

　　所設(shè)計(jì)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(kuò)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(dāng)膜片兩面有壓力差時(shí)，膜片即發(fā)生變形，從而導(dǎo)致電阻變化。用微電路檢測(cè)出這種電阻變化，通過(guò)計(jì)算即可得出壓力變化如圖2所示。

　　計(jì)算時(shí)假設(shè)：小撓度理論;壓力是均勻作用于平膜片表面。由平膜片的應(yīng)力計(jì)算公式可知：

　　當(dāng)r<0.635R時(shí)，σ>0;

　　同樣，當(dāng)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(nèi)外各擴(kuò)散2個(gè)電阻，并適當(dāng)安排擴(kuò)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(cè)出壓力P的變化。式中σri，σro分別為內(nèi)、外電阻上所受徑向力的平均值;(△R/R)i，(△R/R)分別為內(nèi)、外電阻的相對(duì)變化。

　　根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)與應(yīng)力計(jì)算公式，推出被測(cè)壓力與應(yīng)變片測(cè)出的應(yīng)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(jì)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(shè)計(jì)的要求，初步設(shè)定：h=20μm，R=200μm。其固有頻率可以按下式計(jì)算：

　　4 傳感器的性能分析與計(jì)算

　　使用介觀壓阻效應(yīng)原理代替壓阻原理來(lái)檢測(cè)壓力，將圓膜片上的的壓敏電阻換成GaAs/A1As/InGaAs DBRT結(jié)構(gòu)薄膜。用傳遞矩陣法計(jì)算該薄膜在沿生長(zhǎng)方向的應(yīng)力變化下的輸出響應(yīng)，通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)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(shù)，T為絕對(duì)溫度，EF為費(fèi)米能級(jí)，E1為入射電子垂直(縱向)能量。

　　利用公式可計(jì)算出不同拉伸應(yīng)變下隧穿電流隨偏壓的變化，如圖4所示。圖中實(shí)線、虛線分別表示0和5%的拉伸應(yīng)變。計(jì)算偏壓分別為0.75 V和1.2 V時(shí)的壓阻系數(shù)為：

　　傳感器的輸出為：

　　設(shè)偏壓為0.75 V設(shè)偏壓為0.75 V，電橋的激勵(lì)電壓為2.5 V的情況下，該傳感器的靈敏度S為：

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　該結(jié)構(gòu)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(cè)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(diào)節(jié)。同樣結(jié)構(gòu)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(tǒng)的傳感器得到了很大的提高。