基于应力集中的压阻式微悬臂梁设计

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1、万方数据第5卷第4期纳米技术与精密工程V01．5No．42007年12月Nmmtednmb硒andPredsionh睁呻e衄Dec．2007DesignofPiezoresistiveMicro-Cantilever、订thStressConcentrationRegionsMEIDe—qing，WANGYan-cheng，CHENZi-chen(InstituteofAdvancedManufactu=nsEngine喇Ilg，删iallgUniversity，mn班岫310027，China)Abstract：Ino

2、rdertoincn笺Isethesensitivityofcantilever-hasedbiosensor，aNewdesignmethodofpiezoresis—fivemicro-cantileverwithstressconcentrationregions(sC鼬)was跚f哗Ied．1heSC飚，whicharesomenat-rOWslitsonthesiliconbasedcantilevers，callproducelocalized8tIlgS$concentration-whentheconst

3、antforceappliedonthestructure．Sicantilevers，whichfabricatedfromwafers(100)andboron-implantedresistorsori—entedalong<110>in-planedirection，havealfl学piezoresistiveresponseanda托usedforsensiIlgthestlagS$distribution．nlesimulationandoptimizationforthestrc鹞distribution

4、ofSCRswe托carriedoutwithfinitede-mentanalysis(FEA)．Thesimulationresultsshowthattheshe鹪ishighlyconcentratedaroundthen刮口uwslits，and‰SCRsCanobviouslyenhance如displacementandstr088sensitivityc0叫mr耐withconventionalcase．WhenthedilneIl$ionofthemicro-cantileveris500tan×180

5、tan×10tanandthedimensionofthenat-lOWslitsis50tan×20tun．thestresssemitivity锄beincreasedby2．68times．Keywords：micro-cantilever；piezoresistanceeffect；s1卫陷sconcentrationregion(SCR)；finiteelementanalys-is(n认)；semitivity基于应力集中的压阻式微悬臂梁设计梅德庆，汪延成，陈子辰(浙江大学现代制造工程研究所，杭州310027

6、)摘要：为了提高应力检测的灵敏度，提出了一种基于应力集中的新型压阻式微悬臂梁设计方法．首先，通过在硅基悬臂梁上加工出一些条缝结构作为应力集中区域，利用应力集中效应来提高应力检测的灵敏度，并在梁上沿硅的(100)面<110>晶向布置4个压阻元件组成惠斯通电桥来进行应力检测．其次，用有限元法分析了不同参数的孔缝结构对应力分布的影响．结果表明，与传统的无应力集中区域的微悬臂梁结构相比，可以有效提高应力检测的灵敏度．当参数优化后的微悬臂梁尺寸为500ten×180tan×10呻。缝结构尺寸为50ttm×20胛时，应力检测的灵敏‘

7、度可以提高2．68倍．关键词：微悬臂梁；压阻效应；应力集中区域；有限元分析；灵敏度中图分类号：TNl6文献标志码：A文章编号：1672-6030(2007)04-0277—04Smith[1]firstdiscoveredthepiezoresistanceeffectingermaniumandsiliconin1954，thepiezoresistanceeffectofsiliconhasbeencontinuouslystudied．P-typesilicondif-fusedlayersonN—typesili

8、consubstmtearethemoststandardsensingelementsformechanicalsensors[卜8]．收稿日期：2007-07-24．基金项目：国家自然科学基金资助项目(50675193；50405036)．作者简介：梅德庆(19r7卜)，男，副教授，medqmei@zju．edu