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WIKA壓力傳感器工作原理

閱讀：846 發(fā)布時(shí)間：2019-5-14

WIKA壓力傳感器是使用為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主,以單性元件的形變指示壓力,但這種結(jié)構(gòu)尺す大、質(zhì)量重,不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展,而且其功耗小、可靠性高。

WIKA壓力傳感器在測(cè)量過程中,壓力直接作用在傳感器的膜片上,使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,使傳感噐的電阻發(fā)生變化,同時(shí)通過電子線路檢測(cè)這一變化,并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),這樣的過程就是微壓傳感器進(jìn)行測(cè)量的過程。

對(duì)于微壓傳感器來(lái)說,靈敏度和線性度是微壓力傳感器重要的兩個(gè)性能指標(biāo)。為了制作出能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求的傳感器,必需探索出一種微壓力傳感器靈敏度和線性度的有效仿真方法。實(shí)際的研究中,發(fā)現(xiàn)一種基于對(duì)壓阻式壓力傳感器薄膜表面應(yīng)力的有限元分析(FEA)和路徑積分的仿真方法。通過這方法實(shí)現(xiàn)了在滿量程范圍內(nèi)不同壓力值下對(duì)傳感器電壓輸出值的估計(jì),在此基礎(chǔ)上對(duì)壓力傳感器的靈敏度和線性度進(jìn)行了有效仿真。

WIKA壓力傳感器發(fā)展迅速,新研制出的一類傳感器采用壓電單晶片結(jié)構(gòu),并內(nèi)置前置放大器,通過放大器放大微弱信號(hào)并實(shí)現(xiàn)阻抗變換,從而使傳感器具有量程小、靈敏度高、抗干抗性好等特點(diǎn)。這類傳感器已廣泛用于脈博、管壁壓力波動(dòng)等微小信號(hào)的檢測(cè)。但與此同時(shí),對(duì)于微壓傳感器精住度的檢驗(yàn)這技術(shù)難題,就迫切需要簡(jiǎn)便的測(cè)量裝置測(cè)量該類型傳感器的性能。

為了解決微壓力傳感器靈敏度和非線性的矛盾,在結(jié)構(gòu)上,綜合梁膜結(jié)構(gòu)與平膜雙島結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),采用雙島-梁結(jié)構(gòu)。島區(qū)的面積不是按比例放大或縮小。首先,為了增加靈敏度,應(yīng)盡可能減小窄梁區(qū)的長(zhǎng)度和寬度。因?yàn)閺膶?duì)梁-膜-島"結(jié)構(gòu)的有限元分析和近似解析分析中發(fā)現(xiàn),減小窄梁區(qū)的長(zhǎng)度和寬度可以明顯地使梁上的應(yīng)力增大。并且當(dāng)中間窄梁的長(zhǎng)度約為兩邊窄梁長(zhǎng)度的2倍時(shí),器件的線性度*好。雖然有雙島限位結(jié)構(gòu),但在髙過載情況下,硅膜將首先從島的邊區(qū)和角區(qū)破裂。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的島膜結(jié)構(gòu)都是釆用常規(guī)的有掩模的各冋異性濕法腐蝕,從硅片背面形成硅膜和背島。硅膜是皛面,邊框和背大島側(cè)面都是晶面,夾角為5474°的銳角。根據(jù)力學(xué)原理,在角區(qū)存在應(yīng)力集中效應(yīng),使硅膜在正面或背面受壓以后,角區(qū)會(huì)具有應(yīng)力的極值,因此破裂首先從該處發(fā)生。引入應(yīng)力勻散結(jié)構(gòu)以后,使角區(qū)變成具有一定曲率的圓角區(qū),使該區(qū)的應(yīng)力極值下降。在硅膜與邊框或背島的交界處要形成有一定曲率半經(jīng)的緩變結(jié)構(gòu),釆用一般的常規(guī)各向異性濕法腐蝕是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。為此,采用了掩模-無(wú)掩模各向異性濕法腐蝕技術(shù)。