具有多晶硅纳米膜的高过载压力传感器构造

本研究论文主要探讨了采用表面微加工技术制备的、具有多晶硅纳米膜的高过载压力传感器的构造。该压力传感器的全量程压力为2.5MPa。传感器结构设计基于牺牲层技术制成的密封空腔，并在膜片上沉积多晶硅纳米薄膜，作为压电电阻。通过大位移静态分析和非线性接触分析模拟了传感器膜片的应力分布。由于多晶硅具有高的抗拉强度和适当的空腔高度，使得传感器的满量程输出电压和过载容量得到显著提高。测量结果显示，该传感器样品的超压性能是其全量程压力的七倍，而其满量程输出电压在5V供电电压下可达362mV。这表明该设计在提升传感器过载保护方面取得了显著成效。 该论文的引言部分指出了硅基压力传感器在工业、化学、航空航天、汽车和半导体制造领域等众多应用中的重要性。这些传感器具有高频率响应性、高灵敏度以及高过载容量，能够测量量程压力的两到五倍，具体取决于所使用的安全系数。高过载压力传感器在工业气体和液体运输系统、航空航天等高可靠性领域应用广泛。随着可靠性要求的不断提高，开发更高性能的过载压力传感器变得越来越重要。 论文提到，在微电子机械系统（MEMS）和纳米电子机械系统（NEMS）技术中，压阻式压力传感器的一般结构基础是基于梁膜、岛膜和扁平膜。这些传感器被广泛应用于工业、化学、航空航天、汽车和半导体制造中，可用于测量表压、绝压、大气压或真空压力。 多晶硅纳米膜作为压电电阻使用在膜片上，具有高抗拉强度，这意味着在同样的应力条件下可以承受更大的负载，进而提高了传感器的满量程输出电压和过载容量。在设计传感器时，对膜片的应力分布进行了大位移静态分析和非线性接触分析的模拟，以确保在面对高过载条件时传感器仍能够保持性能稳定。在实际测量中，传感器的超压性能表现优异，远超过预期的全量程压力，显示出该传感器在恶劣工作环境下拥有强大的过载保护能力。 为了设计并制造出具有高过载容量的压力传感器，需要深入理解材料特性、传感器结构以及加工工艺。牺牲层技术是一种常用于MEMS领域的重要技术，它允许制造出复杂且精密的微型结构。使用该技术，可以构建出理想的密封空腔，并精确控制空腔的高度，进而影响传感器的机械特性与电学特性。通过沉积多晶硅薄膜来实现压电电阻功能，需要精确控制沉积过程中的参数，以保证薄膜的质量与均匀性，进而确保传感器的准确性和可靠性。 该研究论文的发布日期为2015年3月，作者包括揣荣彦、王健、易长、戴泉和杨利健，他们的工作在传感器的制造和性能改进方面代表了传感器技术的前沿进展。通过这项研究，可以看出MEMS技术在压力传感器设计中的潜力，尤其是在提高过载保护能力方面。随着MEMS和NEMS技术的不断发展，未来压力传感器的性能有望实现更大幅度的提升，为各个领域提供更为精准和可靠的测量工具。