扩散硅压力传感器的有限元模拟与.研究

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1、华中科技大学硕士学位论文在日常的生活和生产中，我们常常想了解温度、流量、压力、位移、角度等一系列参数，压力传感器技术在MEMS传感器应用的诸多应用领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传感器通常可以分为机械膜片、硅膜片电容型、压电型、[4]应变型、光纤、霍尔效应、压阻式压力传感器等。压阻式压力传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器，扩散硅压阻传感器由于具有结构简单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低功耗、体积小、工作可靠等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。当前，全球汽车电子化、智能化的高速发展以及汽车计算机

2、控制系统的兴起，极大推动了汽车MEMS传感器的在汽车上的应用，技术上要求汽车传感器能在恶劣环境（如[5]干扰、震动、腐蚀等环境）下具有很高的可靠性、精度度。在某些高档汽车中，MEMS传感器达到上百只甚至更多，如BMW740i汽车上就有70多只MEMS传感器，PhilipsElectronics公司和ContinentalTreves公司在10年内已销售10亿只用于汽车ABS系统的传[6]感器芯片，可以说汽车传感器的数量和质量是衡量一辆汽车好坏的重要标志。国内“赛迪数据库”对全球以及中国汽车传感器市场的销售量做出了一项统计，并给出了预测结果，如图1

3、.1所示，从图中我们可以了解到汽车传感器有着巨大的市场和十分可观的增长率。图1.12000~2010年全球和中国汽车传感器市场销售量及预测汽车电子已成为汽车工业发展的核心技术，汽车电子控制系统是MEMS压力传感器的主要应用领域之一，可用于检测气缸负压，从而控制点火和燃料喷射；检测大气2华中科技大学硕士学位论文压，从而控制爬坡时空燃比；检测气缸内压，从而控制点火提前角；检测轮胎空气压力，从而控制轮胎充气量,提高安全系数，缩短制动距离，降低油耗；检测进气歧管压力，提高汽车动力性能，减少废气排放；检测废气再循环流量、发动机油压、制动器油压等等，并对相关

4、量作出反应。另外还可用于测量，减震器的压力、制冷压力、共[7~8]轨压力等。汽车MEMS压力传感器一般采用压阻式力敏原理，这类传感器以半导体单晶硅作材料，利用硅的各向异性腐蚀特性将硅腐蚀成硅杯，得到承压的弹性膜片，然后在膜片通过光刻、掩膜、扩散硼离子等MEMS工艺制成4只压敏电阻，再将4只电阻以惠斯顿全桥方式连接成电路，以提高传感器的灵敏度。在芯片上施加压力和激励，可在输出端得到0～5V的输出电压，弹性膜片的厚度决定了传感器量程，可以采用微加工技术在一枚晶片上同时集成多个力敏芯片，易于批量生产，力敏芯片的温度漂移特[9]性可通过补偿电路得到改善。

5、压阻式压力传感器已开发出几代产品，年产量为数千万只，应用范围也越来越广泛。随着我国汽车工业的快速发展，据预测，国产汽车在2010年将达到1000万辆的生产能力，2020年有望超过2000万辆，以平均每辆车40只MEMS传感器来计算，未来十年国内汽车行业传感器需求量将达到4～8亿只，而国内每年需要进口大量的高性能汽车传感器，这是一个具有巨大潜力的市场。因此，开发和应用各类先进的汽车传感器，实现汽车MEMS传感器国产化势在必行。1.3国内外研究概况[10~11]扩散硅压力传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制作的。早在1932年，Bridgeman等

6、人就对晶体的压阻效应进行了初步研究；1954年C.S.Smith首先发文论述了[12]硅和锗的压阻效应；1958年贝尔实验室率先研制出硅体型应变计，并于1960年商业化；60年代初，由于硅平面集成工艺技术的应用，敏感元件和弹性元件的一体化成为现实，很大程度上改善了蠕变、滞后、重复性、稳定性以及温度漂移性；70年代以后，周边固支的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散型压阻传感器问世，它是一种具有代表性新型传感器；80年代后期以来，人们实现了千帕以下量程的微压传感器的高性能化与市场化；目前，压力传感器正向高精度、高可靠性、宽温度范围、微功耗、无源化、智能化、

7、数字化的方向发展。3华中科技大学硕士学位论文1.3.1国外研究概况国外目前的压力传感器技术性能已达到较高的水平，主要表现在：精度高，测量范围宽；小型化、系列化和标准化；可靠性高、稳定性好；品种多，更新换代快。传感器量程0.01～10000Psi，测量精度一般为0.1～0.01%FS,尺寸最小可达0.25mm,稳定性为0.1%FS/年,重复性为0.005%FS,滞后0.001%FS,温度误差0.0002%FS,并能进行较[13]大范围的温度补偿。当前从事汽车MEMS压力传感器研制和生产的著名企业和厂家有Philips、Motorola、TI、ICS

8、ensor、SMI、GE、Bosch等。TI（德州仪器）公司生产的一系列压阻式压力传感器如图1.2，应用于发动机歧管、推进和增压、制动系