牺牲层技术在高灵敏压力传感器过载保护中的应用

"本文主要探讨了高灵敏压力传感器的过载保护结构设计，特别是针对采用微机电系统（MEMS）牺牲层技术制作的压力传感器。文章介绍了这类传感器的优势和面临的挑战，即如何提升过载能力。通过有限元法，对传感器弹性膜片的应力分布进行了静态线性分析和非线性接触分析，以模拟过载状态下的应力状况。" 在微电子机械系统（MEMS）技术中，牺牲层结构的压力传感器因其小型化和高灵敏度而备受关注。然而，这种设计也面临一个关键问题，即如何增强传感器的过载防护能力。传统的过载保护方法，如使用凸台结构，虽然有效，但往往导致腔体尺寸增大，影响灵敏度提升，并增加制造成本。 牺牲层结构压力传感器通常包括平膜、岛膜和梁膜等不同设计，它们利用背部刻蚀、硅直接键合（SDB）和玻璃刻蚀技术实现保护结构。但是，这些技术的局限性在于会限制灵敏度的提高，且效率不高。因此，科研人员转向牺牲层结构，尤其是采用薄型弹性膜片，以实现更高的灵敏度。 在传感器中，应变电阻的制作是关键。普通多晶硅薄膜的应变因子较小，限制了灵敏度的提升。然而，多晶硅纳米薄膜的引入改变了这一情况，它展现出显著的隧道压阻效应，拥有较高的应变因子和优良的温度特性。这使得在牺牲层结构压力传感器中，采用多晶硅纳米薄膜制作应变电阻成为可能，可以提高传感器的灵敏度，扩大工作温度范围，并减少温度漂移。 本文的重点在于过载保护策略。通过调整牺牲层的厚度，使弹性膜片在满量程范围内保持线性响应的同时，适当增加与衬底的接触，以此增强过载能力。牺牲层结构的压力传感器设计如图1所示，其中包含膜片的宽度、长度、厚度以及牺牲层的厚度等关键参数。 总结来说，高灵敏压力传感器的过载保护结构设计是通过精细调控传感器的物理结构，尤其是牺牲层和弹性膜片的特性，结合先进的材料科学和有限元分析技术，以实现高性能和高稳定性的压力检测。这一领域的研究对于推动微型传感器的发展，尤其是在严苛环境下的应用，具有重要意义。