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1 一種基于兩塊可變形膜的新型接觸式電容壓力傳感器 焦語(yǔ)仲 光學(xué)技術(shù)微工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院光電子研究所 中國(guó)成都 610209 要 :為了獲得更好的線性特征，我們?cè)O(shè)計(jì)了名為 一種新型的具有一對(duì)可變形感應(yīng)膜的接觸式電容壓力傳感器。與現(xiàn)有的接觸式電容壓力傳感器相比較，新型傳感器具有更好的線性、大的線性工作范圍等特征。這樣一個(gè)裝置也有高靈敏度 ,和普通接觸式電容壓力傳感器所沒有的其它優(yōu)勢(shì)。在這種新型的傳感器中，第二片作為底部電極的膜在修改第一片 作為頂部電極的膜產(chǎn)生的偏差時(shí)起了很大作用，進(jìn)一步優(yōu)化了接觸式傳感器的性能。硅熔接技術(shù)被用于制造這種新型傳感器。 關(guān)鍵詞： 性、靈敏度 中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 167124776 （ 2003） 0820492204 1、引言 眾所周知，電容壓力傳感器具有高靈敏度 ,耐用的結(jié)構(gòu) ,對(duì)外環(huán)境影響低靈敏性和沒有溫度漂移。但是，電容值與兩電極之間的距離成反比關(guān)系導(dǎo)致了這個(gè)裝置較大的非線性度的缺點(diǎn)。為了改進(jìn)電容壓力傳感器的線性度，我們做出了很大努力。在那些嘗試 中 ,接觸式電容壓力傳感器是比較成功的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗粌H能獲得好的線性度，而且有較大的電壓工作范圍和順利獲得了過載保護(hù) [1~5]?；谝郧暗难芯亢蛯?duì)接觸式電容壓力傳感器深入理解 ,我們?cè)O(shè)計(jì)了這種基于一對(duì)可變形感應(yīng)膜的新型接觸式電容壓力傳感器。與現(xiàn)有的接觸式電容壓力傳感器相比較，新型傳感器具有更好的線性、大的線性工作范圍等特征。這樣一個(gè)裝置也有高靈敏度 ,和普通接觸式電容壓力傳感器所沒有的其它優(yōu)勢(shì)。 在這篇論文中 ,我們描述了這種新型接觸式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)特征和本身特性，并且給出了新型裝置和傳統(tǒng)的接觸式電容 壓力傳感器的比較。 2、結(jié)構(gòu)特征 這種新型裝置在結(jié)構(gòu)上非常不同于常規(guī)的電容壓力傳感器 (傳統(tǒng)的接觸2 式電容壓力傳感器 (圖 1(a)、 (b)、 (c)分別給出了 結(jié)構(gòu)很相似。他們的主要差異在于壓力敏感膜的工作狀態(tài)。在正常方式運(yùn)作中 ,感應(yīng)膜與底層保持一定的距離，然而，在接觸方式運(yùn)作中感應(yīng)膜允許與底層的薄絕緣層接觸。在 ，感應(yīng)膜由 p+硅或者其它導(dǎo)體制造出來，適用作上部電極。另一電極作為底部電極被置 于底層上。當(dāng)一對(duì)電極彼此接觸的時(shí)候，底部電極上需鋪一層薄絕緣層來阻止短路。在二電極之間有一個(gè)真空的洞。 用的結(jié)構(gòu)上參數(shù)是膜的大小 a (和 b)（為圓形膜的半徑，在正方形或矩形膜的邊長(zhǎng)， a， 膜的厚度用 穴的初始間隙為 g，并且絕緣層厚度為 t（對(duì)于 新型裝置包括兩片分別作為頂部電極和底部電極的懸浮的膜，兩個(gè)與外界隔絕的密封諧振腔，一層服著于兩片膜之一上的絕緣層 ，如圖 部電極被固定在底層上，然而在 新裝置中，底部電極是隨著第二片膜的變形而活動(dòng)著的。在接觸以前，第一片膜象壓力載荷增長(zhǎng)那樣變形，但是第二片膜是靜止的。在接觸后第一片膜施力于第二片膜，導(dǎo)致了第二片膜的變形。新裝置的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)有第一片膜的厚度 二片膜的厚度 一片膜的大小 第一個(gè)空穴的初始間隙 二個(gè)空穴的初始間隙 緣層的厚度 t。所有這些參數(shù)都與機(jī)械特性無關(guān)，隨著必要條件的不同而變化。既然新的電容壓力傳感器需要兩片懸浮的膜來形成，我們可以把這樣一種新裝置命名為雙膜接觸式電容壓力傳感器，縮寫為 以 下部分，我們會(huì)給出與 性有關(guān)的模擬結(jié)論。 3 圖 1、 三種類型電容壓力傳感器的示意圖 3、 性 圖 2 表明了有兩片用摻雜了很多硼的硅（ P+）制成的正方形膜、邊長(zhǎng) a1=00μ m、厚度 h1=μ m 、兩電極μ μ m、絕緣層厚度 t=2P 特性在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域超越了傳統(tǒng)接觸式。 圖 2、 準(zhǔn)區(qū)、過渡區(qū)、 線性區(qū)和飽和區(qū)的模擬 a = 400μm ， h =5μm ， g = 5μm 為了比較，圖中也給出了參數(shù)為 a= 400μm ， h = 5μm ， g = 5μm ，和 t = 0. 35μ的正方形 P+膜構(gòu)成的 2 特性也有四個(gè)區(qū)域，即 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)、過渡區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)壓力負(fù)荷小于 52，第一片膜沒有接觸到第二片膜時(shí)，在這 個(gè)區(qū)內(nèi)的特性和 第一片膜開始和第二片膜接觸時(shí)， 短暫的過渡區(qū)之后，在裝置將正常運(yùn)作的地方，曲線顯示出了一片相當(dāng)大的線性區(qū)。當(dāng)線性區(qū)的靈敏度 4 （ d C/ d P） 大 幅度地減小時(shí)飽和區(qū)開始。與 且盡管靈敏度有一定程度的降低，但線性區(qū)之上表現(xiàn)出了更好的線性度。 圖 3、給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)如上的 圖形我們可以觀察到在接觸前 相同的靈敏度。接觸之后靈敏度值不同。 而與 們發(fā)現(xiàn) 后）快速取得較高數(shù)值這樣一種趨勢(shì)，通過一段平滑的靈敏度區(qū)后，靈敏度以更快地速度下降。 壓力負(fù)載接近飽和區(qū)時(shí)靈敏度值下降緩慢，這使新裝置能表現(xiàn)出更好的線性度和更大的工作范圍。在圖中，出現(xiàn)一些波紋。這主要是由于數(shù)字化處理錯(cuò)誤導(dǎo)致地。文章中的所有數(shù)據(jù)都來自于使用有限元分析法程序， 還能進(jìn)行更多的計(jì)算細(xì)節(jié)。 圖 3、 如上同樣大小的膜的靈敏度的比較 圖 4、表明了上述 應(yīng)用范圍從 70 120外的線性最小平方適合曲線。工作范圍的有效靈敏度，合適直線的斜率是 p F/ 非線性 度被定義為： 公式中： Δ從適合直線特性的最大變量； 別表示工作范圍中電容的最大值和最小值。在圖 4、中，新裝置的非線性度是 5 圖 4、 上述的 工作范圍從 70 120線性 最小平方合適曲線，其斜率為 線性度為 這種新裝置的工作范圍和非線性度、靈敏度間有著緊密的關(guān)系。圖 5、表明了大小如上所述的 于 著工作范圍地增加，非線性度增加，然而對(duì)于 線性度首先緩慢減小，然后象 變化趨勢(shì)那樣增加。盡管 其當(dāng)工作范圍在 50~60工作范圍被選定在 50種裝置能達(dá)到 非線性度， 這遠(yuǎn)小于當(dāng) 0非線性度。對(duì)于指定的非線性度， 實(shí)現(xiàn)比 圖 5、 如上述大小的 非線性度和線性工作范圍之間的關(guān)系 4、結(jié)論 這篇文章所陳述的涉及到我的一個(gè)設(shè)計(jì) —— 一種新型的接觸式電容壓力傳感器。6 此之外如果兩種傳感器有相同的膜參數(shù)，則 靈敏度要較小于 乎擁有 有的優(yōu)點(diǎn)。第二片作為底部電極的膜在修改第一片作為頂部電極的膜產(chǎn)生的偏差時(shí)起了很大作用，進(jìn)一步優(yōu)化了接觸式傳感器的性能。第二片膜的合適的厚度對(duì)獲得更好的性能至關(guān)重要。所有的數(shù)據(jù)都來源于有限元分析軟件， 據(jù) 結(jié)構(gòu)特征，硅熔接技術(shù)將成為制作 一個(gè)好方法是有希望的。 參考文獻(xiàn) [ 1 ] H , , . A] . C] . 1996. 24422481 [ 2 ] , H. J ] . 998 , 8 , 4672484. [ 3 ] . D ] . 998. [ 4 ] H , . J ] . , 1999 ,75 , 2422251. [5] W, , H. A J ] . 2000 ,80 , 2242232 7 A u ab 10209 , To of a of is a of to is by a of In of a as in of as of is to LC A D : 167124776( 2003) 07/ 0820492204 1 to to no on is of to to of is a in is ~5 ] . On of of a of a of is of a of In of is s 2 he in 1 (a) , (b) , (c) of is to in of In is at a in is to a p + or is as in of is on A is to on to of is a a ( b) ( or a , b of a , h , of g t ( . s of as on of as 1 ( c) . is on in of as is on s in of of of of , , of of t . of to we a as In 1 of of to 3 2 2P f p + ) 400μm , 5μm , 0 5μm , t = 0. 35μm. 2 2P a = 400μm , h =5μm , g = 5μm 2P a p + a= 400μm , h = 5μm , g = 5μm , t = 0. 35μm is in is 2 t in is as 2P a a in d C/ d P) is of 2P 3 as we we 1 a to a or an at a a to to a a In is by of in 3 of d P) as 4 0 20 of of p F/ is is a in 4 , of . 78 %. 12 4 0 20 a . 0144 . 78 % is a of a 5 as of of of is of is 0～60is to 0 a . 723% ,is . 45 % 0 As 13 5 as he of is to a of my of a is is if of as in of as of of is to a EA to it is be a to 14 1 ] H , , . A] . C] . 1996. 24422481 [ 2 ] , H. J ] . 998 , 8 , 4672484. [ 3 ] . D ] . 998. [ 4 ] H , . J ] . , 1999 ,75 , 2422251. [ 5 ] W, , H. A J ] . 2000 ,80 , 2242232.