1、分類號學號！密墩壘鹽工學碩士學位論文微壓力傳感器的設計與制作工藝研究碩士生姓名學科專業研究方向指導教師至住鑾塑遮史量王焦瑩暨：王壁復熊拙墜叁箕至圣鱟塾援國防科學技術大學研究生院二五年十一月國防科學技術大學研究生院學位論文摘要微壓力傳感器是在微機電系統領域最早開始研究并且產業化的微機電器件之一，微機電系統以微加工工藝為重點研究內容。本文主要對微壓力傳感器的相關部分進行設計，并在研究相關微加工工藝的基礎上制作了一種驗證性的壓阻式微壓力傳感器。論文的主要內容如下：利用壓阻效應、大（小）撓度理論、膜的應力形變等力學、電學知識設計了一種壓阻式微壓力傳感器。此種傳感器理論上具有較大的靈敏度，測壓范圍能根據

2、要求而變化。研究了微電容式壓力傳感器的差動電容結構設計和微諧振式壓力傳感器的微諧振子結構設計，利用軟件對微差動電容的結構進行了優化設計。初步研究了利用淀積。薄膜的工藝，討論了影響薄膜質量的相關工藝參數；初步研究了用刻蝕：和的相關工藝：通過分析不同濃度腐蝕液在不同溫度下其值的變化，研究了以溶液值作為腐蝕溶液的控制參數。基于某些微加工工藝制訂了一套工藝流程，成功制作了前面所設計的壓阻式微壓力傳感器芯片。實驗過程表明：此工藝流程簡便、可操作性強、成品率高。基于惠斯頓電橋的測量原理，利用兩級放大電路和兩級巴特沃思低通濾波電路搭建了一簡單的測試電路系統，成功地檢測出了輸出電壓的微小變化值并得出了一些初步

3、的實驗數據，驗證了芯片設計和工藝流程的正確可行性。論文的相關研究和實驗結果對于微壓力傳感器的設計、制作具有一定的參考價值，微加工工藝的相關研究結論也可以應用在其它微機電器件的制作上。主題詞：微機電系統微壓力傳感器微加工工藝壓阻式電容式諧振式檢測系統第頁國防科學技術大學研究生院學位論文，砸曲伽，遠培：托，巧，”詫“工甜培挹印肌（），姆勰；銜（）；醯，協，姻甜“，鋤、（，曲：（）耐第頁國防科學技術大學研究生院學位論文表目錄表卜三種傳感器的性能比較表各個點的應力值表溫度對氮化硅穩定性和淀積速率的影響表反應氣體的流量比對氮化硅膜的影響表氣壓對氮化硅腐蝕速率的影響表射頻功率對氮化硅膜的影響表一標準清洗工

4、藝表實測電阻值表測試結果第頁國防科學技術大學研究生院學位論文圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖。圖圖目錄單個原子排列成的“原子”字樣微型直升機，硅微加速度計。，。微機械射頻開關汽車的防撞傳感系統醫用“納米直升機”，。壓阻式微壓力傳感器的結構示意圖電容式微壓力傳感器的結構示意圖。諧振式微壓力傳感器的諧振子結構示意圖雙電容結構，將進行分析的矩形膜圖，圃型島膜的剖面圖，劃分好網格的圓型島膜型島膜上的各點位移圖，型島膜上中點至邊緣點之間各點的位移圖諧振式壓力傳感器的組成框圖集成熱激勵諧振膜壓力傳感器，諧振梁立體示意圖，。諧振子示意圖折彎形電阻諧振梁折彎形電阻，方膜片撓度分布

5、示意圖應力變化規律圖硅壓阻芯片圖，。，淀積系統原理示意圖有較多氣孔的氮化硅薄膜表面形貌，較軟氮化硅膜的表面形貌有干涉條紋的氮化硅薄膜表面形貌優化工藝參數淀積的氮化硅薄膜，刻蝕系統結構示意圖刻蝕示意圖，刻蝕速率跟氣壓的關系，第頁，國防科學技術大學研究生院學位論文圖刻蝕速率跟上電極功率的關系，圖刻蝕速率跟下電極功率的關系圖圖刻蝕掉后表面的圖片圖不同流量配比下的刻蝕速率圖刻蝕速率跟上電極功率的關系。圖刻蝕成的電阻形狀圖濕法腐蝕后的硅腔表面形貌圖】濕法腐蝕的電阻圖腐蝕實驗系統，圖硅晶體結構，圖硅腔結構。，圖腐蝕速率與溶液濃度、溫度的關系，（）時不同濃度的值（）在不同溫度的值，圖溶液值與濃度和溫度的關系

6、，圖添加劑對腐蝕速率的影響（）未加添加劑腐蝕的硅腔表面形貌（）加入添加劑腐蝕的硅腔表面形貌（）未加添加劑腐蝕的硅腔表面形貌（）舭加入添加劑腐蝕的硅腔表面形貌圖添加劑對形貌的影響圖傳感器芯片工藝流程框圖圖硅片上生長氧化層，。，圖熱氧化，以層的表面圖像圖濺射膜示意圖，圖濺射膜的表面圖像圖光刻、顯影后的硅片，圖雙面光刻、顯影后的硅片。圖后的硅表面圖片，圖濕法腐蝕形成的電阻（放大倍數：左邊××）。，圖待濕法腐蝕硅片，圖形成了薄膜的芯片實物圖引線后的芯片圖惠斯頓測量電橋，第頁國防科學技術大學研究生院學位論文圖串聯補償法，圖并聯補償法圖串并聯補償法圖級放大電路圖次級放大電路。，圖低通濾

7、波電路圖整個放大、處理電路圖，圖測試系統實物圖第頁獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學技術大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文題目：邀壓左接盛晝煎選鹽生劐韭王藝盟壅學位論文作者麟：避嫌形年月石學位論文版權使用授權書本人完全了解國防科學技術大學有關保留、使用學位論文的規定。本人授權國防科學技術大學可以保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印

8、件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密學位論文在解密后適用本授權書。）學位論文題目：垡壓左譴盛墨的遮士盞劍佳王苧盟壅學位論文作者簽名作者指導教師簽名：壁鯔塾，日期：巧年，月硝日期：年，月矛日第一章引言§關于微電子機械系統（）的興起和特點年美國物理學家、諾貝爾獎得主提出了一個非常有趣的問題：如果有一天可以按人們的意愿來安排一個個的原子，那將會產生什么樣的奇跡呢？就在幾十年后，這個愿望便變成了現實。圖的“原子”字樣就是用單個原子排列的，年美國加州大學伯克利分校等人研制成功了直徑

9、為的硅靜電馬達。最近，美國洛克希德桑德公司研制出名為“微星”（）的微型無人偵察機。該飛行器的長度只有厘來，重克。體積僅相當千一只麻雀。而圖是美國一家公司研制成功的一款微型直升機圖（）。近年來，美國國防部高級研究計劃局資助微機電系統用于軍用開發的經費每年達萬美元。日本通商產業省從年起總投資億美元的微機械技術大型研究開發技術，實施期為年。法國于年啟動了“微技術和微系統”項目，投入萬法郎。德國每年用于微系統的投入高達萬美元。“”。所有這些表明：人們對微小現象有著很濃厚的的興趣，器件的微小型化正變得越來越可能，世界各國對微小技術越來越重視。實際上，微小型化正是當今技術領域發展的一個重要趨勢之一。因為微

10、小技術所制作的微小器件能完成許多大系統無法完成的工作，微小型器件并不是宏觀器件的簡單等縮。當尺寸小到一定程度，會有許多意想不到甚至令人驚喜的現象出現。微機電系統（，簡稱）正是順應這 一趨勢而應運而生的一門新學科。圖單個原子排列成的“原子”字樣圖微型直升機第頁是在微電子工藝的基礎上發展起來的，它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術。作為一個多學科交叉的前沿研究領域，具有如下特點：）微型化：器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。）以硅為主要材料，機械電器性能優良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢。）批量生產：用硅微加

11、工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的器件，批量生產可大大降低生產成本。）集成化：可以把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的酬產品。）多學科交叉：涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果”“。的研究方面及應用前景當前對的需求主要來自汽車工業、通信領域（全光網絡、無線通信）、生物醫學（生物芯片和微流量計部件）和軍事應用（慣性制導、分布傳感與控制、信息技術）。目前全世界在進行深入研究的方面主要有：）傳感器類自第一個硅微機械壓力傳感器問世以

12、來，目前主導市場的傳感器己形成產業，其中壓力傳感器及加速度計在年代已商品化。現在已經形成產品和正在研究中的微型傳感器有：壓力、溫度、濕度、加速度、角速度、微陀螺、光學、位置、電量、磁場、質量流量、氣體成分、值、離子濃度和生物濃度、觸覺傳感器等。）射頻射頻的研究目標是把半導體有源器件、微加工元件等集成到一起，從而實現單芯片上的射頻系統，完成信息的獲取、傳輸、處理和執行等功能，使許多產品集成化、微型化、智能化，成倍提高器件和系統的功能密度、信息密度和互連密度，大幅度節能降耗。射頻叫是當前研究的熱點，無源器件包括微機械傳輸線、電感、濾波器和渦合器：有源峪器件包括開關、調諧器、可變電容。當前基于的開關

13、、濾波器、可變電容、等射頻元器件已取得實質性進展。）光學肥信息技術、光通信技術的發展，使微型光機電系統（）成為當前研究的熱點。光電微機械芯片通常是指包含一個以上微機械元件的光系統或光電子系統。利用技術制作的新型光器件，插入損耗小，光路間相互串擾極低，對光的波長和偏振不敏感，并且通常采用硅為主要材料，從而器件的光學、機械、電氣性能優良。采用模塊化設計，方便擴展應用。目前在研制光通信器件有諸如全光網絡用光開關、（光分插復用器）、第頁國防科學技術大學研究生院學位論文可調光衰減器、可調諧激光器、可調光濾波器、光波長變換器、再生器。其中，部分器件如光交叉開關、光衰減器、波分復用器件、可調諧光纖光柵已見商

14、業應用報道”。）流體和生物化學類使用生物芯片或微型生物化學芯片組成的微型生物化學分析系統，是在很小幾何尺度的襯底上，集成樣品預處理器、混合器、微反應器、微分離管道、微檢測器等微型生物化學功能器件、微電子器件和微流量器件的集成系統。微型生物化學分析系統除了體積小以外，還具有樣品消耗少，能耗低，效率高、集成、并行和快速檢測的優點，已成為世紀生物醫學工程的前沿科技，可廣泛用于臨床、環境臨測、工業實時控制。采用微加工技術制造的各種微小器件適合于操作生物細胞和生物大分子，具有可進入很小的器官組織和能自動地進行細微精確操作的特點，又可大大提高介入治療的精度，降低醫療風險。）其它類其它研究熱點有微型執行器（

15、微馬達、微電機、微諧振器、微開關、微閥、微泵等）及微能源、微機器人、微飛行器、微納皮衛星等系統”。有著廣闊的應用前景，主要有以下幾個方面：）軍事國防發展的最初動力的一個重要方面是來自軍事科技的需求。事實上，技術在飛行器的電子設備、微型飛行器、微型引線保險與解除保險安全裝置、微型敵我識別裝置、微慣性導航系統、軍用微型電池能源系統等方面已有重要應用。如圖是公司的硅微加速度計。利用技術首先是提高了武器的智能程度，如微電機技術能在一個硅晶片上置放萬個微型機器，每臺機器都有電子控制系統，構成極小的微電機系統。將這種裝置鑲在頭盔、服裝或武器里，將不僅可以監測和傳輸一個士兵的重要標記和位置，而且還能監測和傳

16、輸附近敵人的任何活動；二是改善了武器裝備的隱身性能；三是提高了武器的安全性。如目前車載機載的電子戰系統濃縮至可單兵攜帶，隱蔽性更好，安全性更高；四是進步提高武器的信息化程度，使武器裝備控制系統信息獲取速度大大加快，偵察監視精度大大提高；五是使武器的生產周期縮短，成本降低。）射頻通訊、光學射頻用于從低頻直到毫米波頻段信號的產生與處理微型化和可集成的器件，可減小體積和重量，降低動耗，提高可靠性和多功能化。因而，包括美國朗訊公司在內的一些公司和大學正在研究全光通信網用的微系統及無線通信用射頻微系統。如圖是微機械射頻開關的示意圖。利用微米，納米制造技術，現已開發出許多用于傳感、通訊及顯示系統的分立使或

17、陣列式微型光學器件。包括光纖傳感器、光開關、光顯示器、光調制器、光學對準器、光度頭、變焦距反射鏡、集成光編碼器、微光譜儀及微干涉器等。美國公司早在世紀年代初就著手研究用于投影裝置的數字驅動微鏡陣列芯片，它可應用于第頁國防科學技術大學研究生院學位論文彩色投影儀、電視顯示等”。）汽車行業汽車行業是傳感器技術的重要市場。傳統的多路絕對壓力傳感器和氣囊加速度計幾乎已經完全被微型化的傳感器所替代。在輪速測量、冷卻系統壓力、發動機油壓力和剎車壓力測量方面，人們正在考慮或已經開始用基于技術的傳感器來取代原有的產品。此外，人們還在嘗試將器件應用于汽車的智能型低污染發動機系統、智能型活動底盤系統、智能型安全與導

18、航系統中。如圖所示的整個汽車防撞傳感器系統就是由許多傳感器組成。）生物醫學技術生物芯片已經在基因排序上引起極大的反應。通過微型生物機電技術合成朗傳感器和致動器，可以創造出具有更強大功能的新一代生物芯片。綜合起來講臟在生物醫學領域的應用主要是下列三個方面：）臨床化驗分析。）基因分析與遺傳診斷。）介入治療。如圖是美國康納爾大學的科學家利用酶作為分子馬達，研制出的一種可以進入人體細胞的納米機電設備一“納米直升機”。 圖硅微加速度計圖微機械射頻開關 圖汽車的防撞傳感系統圖醫用“納米直升機”實際上，作為一門方興未艾的新技術，的前途不可限量，正如業內的位專業人士所說的：，。】！世界各國特別是發達國家，紛紛

19、制訂計劃，投入大量經費，爭奪這一科技的制高點。當前，美國、日本、德國等科研堡里壟堅型塑些查壟堇墨塑萱翌！：塑里叢！生垡查莖塑王堅！墮笪塑塞：墜堡墮里叢塑第頁國防科學技術大學研究生院學位論文主，包括硅微型壓力傳感器、微型電機、微型泵。年來研究隊伍逐步擴大，年代末已形成多個單位的多個研究小組，在新原理微器件、通用微器件、以及初步應用等方面取得了較大進展。但是我國的微加工技術跟世界強國相比還有較大差距，成為制約我國發展的瓶頸。§關于微壓力傳感器，微壓力傳感器現狀及發展趨勢微壓力傳感器（）是微傳感器的一種。它是最早開始研制的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品。其原理是將

20、壓力（被測量）轉換成電信號（例如電壓、電流）輸出的器件。最常見的微壓力傳感器有壓阻式、電容式、諧振式三種。現階段微機械壓力傳感器的主要發展方向有以下幾個方面。“。（將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成，研制智能化、數字化的壓力傳感器。這一方面，公司的等人在上報道的單片集成智能壓力傳感器堪稱典范。這種傳感器在一個晶片上集成了壓阻式壓力傳感器、溫度傳感器、電路、電壓電流調制、位內核（）、位模數轉換（）器、位數模轉換（）器，字節、字節，啟動系統和用于數據通信的外圍電路接口，其輸出特性可以由的軟件進行校準和補償，在相當寬的溫度范圍內具有極高的精度和良好的線性。（）進一步提高壓力傳感

21、器的靈敏度、實現低量程的微壓傳感器。這種結構以公司在年提出的雙島結構為代表，它可以實現應力集中從而提高了壓阻式壓力傳感器的靈敏度，可實現以下的微壓傳感器。年復旦大學提出一種梁膜結構來實現應力集中，其結構可看作一個正面的啞鈴形梁疊加在平膜片上，可實現量程為的微壓傳感器。另外還有美國公司在年提出的“”結構和德國柏林技術大學提出的類似結構。這種微壓傳感器用于脈動風壓、流量和密封件泄露量標識等領域。（）提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器，拓寬工作溫度范圍。壓阻式壓力傳感器由于受結耐溫限制，只能用于以下的工作溫度，然而在許多領域迫切需要能夠在高低溫下正常工作的壓力傳感器，例如測量鍋爐、管道、高溫容器內的

22、壓力等。目前對高溫壓力傳感器的研究主要包括、合金薄膜濺射壓力傳感器、高溫光纖壓力傳感器、高溫電容式壓力傳感器等。其中高溫壓力傳感器可望在下應用。第頁國防科學技術大學研究生院學位論文（）開發諧振式壓力傳感器。微機械諧振式壓力傳感器除了具有普通微傳感器的優點外，還具有準數字信號輸出，抗干擾能力強，分辨力和測量精度高的優點因而是微壓力傳感器的主要發展方向。硅微諧振式傳感器的激勵檢測方式有電磁激勵，電磁拾振、靜電激勵，電容拾振、逆壓電激勵壓電拾振、電熱激勵壓敏電阻拾振和光熱激勵光信號拾振。（與新技術、新利料刁斷融合。總之，用技術加工制作的微結構傳感器具有微型化、可集成化、陣列化、智能化、低功耗、低成本

23、、高可靠性、易批量生產、可實現多點多參數檢測等一系列優點，受到各國研究者的重視。盡管目前開發的傳感器還有某些不足之處，例如靈敏度低、工作溫區窄、精度不高。但是，隨著科研工作者的深入研究，在不久的將來必有更多結構更新、性能更優異的實用化的傳感器問世。，典型微壓力傳感囂簡介壓阻式微壓力傳感器岡，是壓阻式微壓力傳感器的一個結構圖示意圖。當有壓力作用在敏感膜上時，敏感膜帶動附著在其上的力敏電阻發生變形，力敏電阻由于壓阻效應其電阻值會發生改變：等一十，正。萬，為縱向壓阻系數，一為橫向壓阻系數；口，為縱向應力，為橫向應力。從而導致輸出電壓的變化，通過測量輸出電壓的變化就可以得到相應的壓力大小“”。圖，壓阻

24、式微壓力傳感器的結構不意圖電容式微壓力傳感器圖，是一種電容式微壓力傳感器的結構圖。其基本原理是：當給兩平行導電板加上正、負電壓后，上下極板分別充上正、負電荷并構成平板電容器。其電容值為：！爿趕式巾為兩平行板間的距離；為平行極板的面積；占，為板闖所充介質的相對介電常數；。為真空電容率。當兩極板之間的距離發生變化時，平板電容器的電容便發生變化：需；蓉口可見，電容的改變量和壓力成正咄“。第頁國防科學技術大學研究生院學位論文諧振式微壓力傳感器圖是諧振式微壓力傳感器的種。它的基本原理是：電壓加在諧振梁上使其在諧振頻率處發生共振，一一。一一（）哆吃，其中一、指激振電阻兩端的激勵電樂有效值和臨界激勵電壓有效

25、值。可見在靜態熱激勵電壓¨的作用下諧振梁諧振頻率廠的改變與激勵電壓的平方成比。當有壓力作用時，由于其剛度改變，所以共振頻率就會增加，根據頻率的改變量可以得出壓力的火小“。平板圖屯容式微壓力傳感器的結構示意圖圈、諧振式微壓力傳感器的諧振子結構示意圖般來說，由于諧振式微壓力傳感器為閉環工作模式，所以它在分辨率、精度、功耗等性能比壓阻式和電容式更優。表卜是三種傳感器的性能比較。表卜三種傳感器的性能比較。性能壓阻式電容式諧振式輸出形式電壓電壓頻率分辨率×××精度一一口一。動耗（）一第頁國防科學技術大學研究生院學位論文課題來源§本課題的主要任務及章節安排

26、本課題來源于校預研基金“微結構與微系統設計理論、方法及技術研究”（基金批準號：）。課題研究的意義在軍事領域有著廣闊的應用前景。可以說，一旦相關技術能夠完全實用于軍事武器的制作，它必將帶來深刻的軍事技術變革。受工藝加工技術的制約，許多設想現在還無法付諸實現。因此，相關微加工工藝的研究就很有意義。同時它們又是本課題的另一主要工作制作驗證性微壓阻式壓力傳感器的基礎。微壓阻式壓力傳感器式是結構最簡單、技術相對較成熟的微壓力傳感器中的一種，與其它擴散、摻雜形成壓敏電阻不同，本文設計的折彎形電阻制作在敏感薄膜上，它能增加靈敏度，減少工藝步驟，簡化結構，降低成本。另外，差動微電容式是電容式微傳感器的主流方式

27、，其中心膜片是主要結構；諧振式微傳感器的性能最優，是當今微壓力傳感器的主要發展方向，諧振子是它的主要部分。主要任務及章節安排第一章旨在對及微壓力傳感器作一綜合性的論述以及了解熟悉這一新學科和微壓力傳感器的相關知識。第二章設計電容式微壓力傳感器的差動電容結構及相關優化，同時設計諧振式微壓力傳感器的諧振子結構。第三章設計一種驗證性的壓阻式微壓力傳感器。有壓敏電阻的優化設計、感應薄膜理論及其模型的建立等。第四章研究制作前面設計的幾種微壓力傳感器所用到的一些相關工藝。第五章設計制作壓阻式微壓力傳感器的工藝流程并制作傳感芯片、后期處理電路設計、測試系統搭建及信號的獲取和分析。第六章是全文工作的一個總結和

28、展望。第頁國防科學技術大學研究生院學位論文第二章電容式、諧振式微壓力傳感器相關設計§電容式微壓力傳感器中間膜片的結構設計及仿真電容式微傳感器的結構原理假著不考慮兩個平行導電板的邊緣電場效應，且它們之間絕緣。則所形成的電容為：墅煎（）鞏其中島示真空中的介電常數（它一般為一常數），示平行導電板之間介質的相對介電常數，島示極板的相對面積，矗示兩極板之間的間距。由式可以看出，改變電容有三種方法：改變平行電極板之間的間距甌；改變介質的相對介電常數占，；改變平行電極板的相對面積鼠。這給了人們一種啟示：若能得出電容的改變量，就可以反映出電容結構的變化情況。電容式傳感器正是借助了這一原理“。文獻資料

29、表明：相對面積變化型的優點是輸出與輸入成線性關系，但靈敏度比極距變化型低，它適于較大直線位移及角位移的測量。極距變化型的優點是可動態非接觸式測量，對被測系統的影響小，靈敏度高，適于較小位移的測量，但這種傳感器有線性誤差，傳感器的雜散電容對靈敏度和測量精度都有影響，與傳感器配合使用的電子線路也比較復雜。現在普遍采用極板間問距變化型結構，這種結構不論在數據采集和處理上或是在制作工藝上，都比通過改變另外兩個參數的結構簡單得多”。極距變化型結構又有單電容和雙電容之分。，單電容結構單電容結構是指只有一個電容在發生變化，電容的一個極板為固定極板，另一個極板為可動極板。假設電容的可動極板在外界因素的作用下移

30、動距離，則改變后的電容值為：艮耥（）“。十盯由魚警可得：口們耥一警警南一卜爭眨。，”碗甌氏、如酣”或。以“一般掣，所以其高階項可忽略，因此有：第頁國防科學技術大學研究生院學位論文（掣）（）電容變化的靈敏度叫。由此可見，為了使靈敏度占保持常數，即電容保持線性變化，就必須保證使可動電容極板位移遠小于電容極板的間距贏，這就要求外界因素作用的范圍不能太大。為了能夠使被測量的范圍較大，可以適當增大極板間距矗，但這樣又會減小初始電容，不便于測量，靈敏度會下降“”。雙電容結構雙電容結構即有兩個電容在發生變化，一個電容值變大，另一個電容值減小，然后將兩者的電容值相減，由差值來反映外界作用的大小。雙電容結構又有

31、單面推挽式等多種具體結構。如圖所示：假設兩電容極板的初始間距相等為磊，上電容和下電容的初始電容值都為，則當中間的可動極板受外界因素作用移動時，有：粵：塑西一鞏奸警南一盤卜爭卅爭眨，成、氏一哦矗”。鞏怕同理：若掣，忽略式展開后的泰勒級數高次項后有：“掣（）“從而雙電容式的靈敏度為：籌“要汪，以一可見，雙電容結構靈敏度比單電容結構提高了一倍。固定電極差壓式微電容中心膜片的設計圖雙電容結構目前比較流行的可動極板膜片形狀，從縱剖面來看主要有平膜（型）和島膜（型）兩種：從俯視面來看有圓形和矩形兩種。由于矩形膜片不存在內應力問題，因此下面先討論第頁玎國防科學技術大學研究生院學位論文矩形膜片，見圖。從后面第

32、三章介紹的有關撓度理論可知：在受外力的作用下，如果膜片位移小于或不太大于膜片的厚度時，可以認為是小撓度問題；但是如果膜片位移是膜片厚度的幾倍甚至幾十倍，就是大撓度問題“。在小撓度情況下，外力與撓度基本成線性關系。對于硅材料材料來說，可動極板無論采用何種形狀的膜片，它在受外力作用時的位移都小于或不太大于膜片的厚度，可認為是小撓度問題。 假若膜的周邊固支，且有一撓度為孵則當膜受到使膜發生小變形的均布載荷尸時，撓度滿足以下關系式“”：豢淼等丟眨，。一、“由材料力學公式可知膜的彎曲剛度為。瓦籌筌擊，其中矗為膜的厚度，為楊氏模量，為泊松比。板內備點的彎矩為：蠔一豢豢卜一高豢豢”）篇一器器億。，用里茲法“

33、求得其撓度公式為：礦；：蕊（一）（一口），。，矩形膜的應力為：矽吒一葡麗礦萬（一，）王，一燾豢豢億一麗萬薩坦）苧！塑壘壘！塑童墨墨萱：墊墨叁生塑！國防科學技術大學研冗生院學位論文；圮，娑；：±，矽，掣（）形對于正方形膜有：姐去彳。（）方膜的中心撓度為：要（）由以上分析可知，求解這些微分方程有很大的難度，因此下面利用在有限元分析中大量應用的對圓型型島膜片進行仿真分析，以確定其尺寸。因為各點厚度一致的平膜即使受均布載荷，其各點的撓度也不同，所以輸出有很大的非線性。但是型膜片輸出卻有較好的線性，因此采用它“。假設基礎電容為。厲買對于理想情況。，ד，所以據式有：等未意貉觀聊成島&

34、#215;“設電容間隙盔為，則極板的相對面積：××研腳研（）則對于方形膜有“研根據復雜的力學知識推導知道“，對于矩形膜短邊與長邊之比口時最佳。此時存在關系式：肌業掣（）為使在測低壓時電容有一定的靈敏度和滿量程時極板之間有定的間隙，設加均布載荷盧青忍時，極板間距為坍。若極板上的介質層的厚度也為腳，就有，所以由式可算得矗“坍。由斷裂應力經驗公式只（）××形：只（）××（）及諺；×忍，口“所可算得：×肋御，所以膜片在均布差壓為伽滿足應力要求。若成層的朝，：，研腳，破及公式：第頁。：型虹生立（。）。，可求得初始電容為。還可

35、以根據上述方法算出硅島形膜的相關尺寸。但是要得到精確的數據還是應該用進行模擬仿真，算出在島膜受多大差壓力下相應的位移、應力是否超限等等。硅形島膜片的仿真方法如圖所示是型島膜的示意圖。若之比接近于一，膜相當于近似平膜，則形島不能很好地平行移動，就會增大輸出的非線性：若很小，則雖形島能夠很好地平行移動，但會縮小電容的相對面積或增大敏感元件的尺寸。因此要用建構模型，施加一定的壓力到島膜上后，通過有限元分析求解形島上各點的位移，以確定的優化值。圖是劃分好網格的圓型島膜。 圖，圓型島膜的剖面圖 圈劃分好網格的圓型島膜首先假設某些條件是固定的，如硅片的厚度日，伽，：，肋，：冊，聊，肼；并且假設島膜的最大位

36、移為，刪，則當，聊時，型膜上施加的均布壓力時，型島膜的位移圖見圖。圖是島膜的中心點至某一邊緣點之間所有點之間的位移曲線圖，可見最大位移為刪，因此非線性值為：盯：上墮蘭×：（）按照上述方法不斷地改變的值，即可用分析求解出最佳的口之比，要注意第頁的是島的尺寸還要受到其它如電容相對面積的、硅島膜總體尺寸的尺寸等的限制，具體設計時應該根據要求綜合加以考慮而確定。 圖，型島膜上的各點位移圖 圖型島膜上中點至邊緣點之間各點的位移圖§諧振式微壓力傳感器諧振子結構設計微諧振式壓力傳感器原理微機械諧振式壓力傳感器具有如下優點：（）精度高；（）穩定性好：（）可靠性好：（）體積小，重最輕，功耗低

37、；（）與集成化國防科學技術犬學研究生院學位論文電路兼容、成本低；（）具有良好的機械性能；（）工作方式選項多、動態性能易改善。淵此，它是當今微傳感器的發展方向。但是由于其結構較之前面兩種微壓力傳感器更為復雜、加工制作難度更大，所以微諧振式傳感器的設計、加工、實用化還遠不完善。般米既，諧振器子是其結構核心，本章將以諧振器的初步設計為重點。微諧振式壓力傳感器是通過檢測其機械諧振器諧振頻率的變化來實現壓力測量的，它的特點是尺寸小，精度高，穩定性好，易與數字電路接口，因而具有廣闊的應用前景。圖，是諧振式壓力傳感器的原理組成框圖。首先用激振器采用某種激勵方式使諧振器發生諧振，此時有一個諧振頻率厶，待測壓力

38、作用在質量一彈簧一阻尼系統上，直接或間接改變諧振器的剛度，從而改變諧振器的固有諧振頻率（假設此時的諧振頻率為廠），通過檢測諧振頻率的變化（廠一），實現壓力測量目的。用測量頻率差的方法來測對應壓力，其優點是可以消除環境溫度等因素帶來的附加誤差。在相同條件下，當環境溫度變化時，兩個諧振梁的頻率和幅值的變化是相同的，所以計算頻率差時該變化量相互抵消。拾振器起檢測梁的振動信號的作用。對于微傳感器，因其激振和頻率變化極小，所以還會有放大器等處理電路連在系統中“。國諧振式壓力傳感器的組成框圖圖是荷蘭大學的年在會議上提出的一種集成熱激勵諧振膜壓力傳感器。圖中的為熱激勵電阻，當在其上加交變的電壓時，膜片具有交變的溫度應力，驅動膜片振動，當振動頻率廠與膜片的固有諧振頻率一致時，膜片發生諧振，振睛就達到最大。有壓力作