介觀壓阻型微壓力傳感器設(shè)計

l 引言
    壓力傳感器應(yīng)用廣泛，例如汽車中的多路壓力測量(如空氣壓力測量和輪胎系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的壓力測量)、環(huán)境控制(如加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié))中的壓力測量、航空系統(tǒng)中的壓力測量以及醫(yī)學(xué)中動脈血液壓力測量等。這里將在傳統(tǒng)壓力傳感器中使用一種新原理一介觀壓阻效應(yīng)口，即在共振隧穿電壓附近，通過4個物理過程，將一個微弱的力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為一個較強(qiáng)的電學(xué)信號。用基于介觀壓阻效應(yīng)的共振隧穿薄膜替代傳統(tǒng)的壓阻式應(yīng)變片作為敏感元件，通過理論分析和仿真計算驗證了該結(jié)構(gòu)對傳感器靈敏度、固有頻率的影響，從理論上證明了介觀壓阻效應(yīng)原理可以提高壓力傳感器的靈敏度，擴(kuò)大其測量頻率的范圍。

2 介觀壓阻效應(yīng)及GaAs，AlAs/InGaAsDBRT結(jié)構(gòu)薄膜
    介觀壓阻效應(yīng)的定義為“等效電阻的應(yīng)力調(diào)制”，等效電阻是對共振隧效應(yīng)的一種具體描述。由4個物理過程組成：①在力學(xué)信號下，納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布將發(fā)生變化；②一定條件下應(yīng)力變化可引起內(nèi)建電場的產(chǎn)生；③內(nèi)建電場將導(dǎo)致納米帶結(jié)構(gòu)中量子能級發(fā)生變化；④量子能級變化會引起共振隧穿電流變化。簡言之，在共振隧穿附近，通過上述過程，可將一個微弱的力學(xué)信號轉(zhuǎn)化。為一個較強(qiáng)的電學(xué)信號，體現(xiàn)出較大的壓阻系數(shù)。這里所用的介觀壓阻效應(yīng)元件為GaAs/A1As/InGaAs DBRT結(jié)構(gòu)薄膜納米級窄帶隙材料。隨著外部壓力引起的拉伸應(yīng)變的變化(如圖1所示)，DBRT結(jié)構(gòu)的共振隧穿電流和阻抗顯著變化。并且，阻抗應(yīng)變輸出可由外部電壓有效調(diào)節(jié)。其優(yōu)點是靈敏度高、靈敏度可調(diào)、靈敏度隨溫度變化小。

3 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析
    所設(shè)計的壓阻式壓力微傳感器，其制法是將N型硅腐蝕成厚10～25μm的膜片，并在一面擴(kuò)散了4個阻值相等的P型電阻。硅膜片周邊用硅杯固定，則當(dāng)膜片兩面有壓力差時，膜片即發(fā)生變形，從而導(dǎo)致電阻變化。用微電路檢測出這種電阻變化，通過計算即可得出壓力變化如圖2所示。

    計算時假設(shè)：小撓度理論；壓力是均勻作用于平膜片表面。由平膜片的應(yīng)力計算公式可知：

   
    當(dāng)r<0．635R時，σ>0；
    同樣，當(dāng)r=0．812R時，σT=0，且σr<0，如圖3所示。在圓形硅膜片上，沿[110]晶向，在0．635R半徑內(nèi)外各擴(kuò)散2個電阻，并適當(dāng)安排擴(kuò)散的位置，使得σn=一σro，則有(△R／R)i=一(△R/R)

    這樣即可組成差動全橋電路，測出壓力P的變化。式中σri，σro分別為內(nèi)、外電阻上所受徑向力的平均值；(△R／R)i，(△R/R)分別為內(nèi)、外電阻的相對變化。
    根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)與應(yīng)力計算公式，推出被測壓力與應(yīng)變片測出的應(yīng)變關(guān)系：

式中：μ為硅材料的泊松比，μ=O.35；R,r，h分別為硅膜片的有效半徑，計算半徑，厚度；E為硅材料的模量，E=8．7Gpa；P為作用于平膜片上的壓力；ω為平膜片的撓度；
    經(jīng)過分析，綜合考慮設(shè)計的要求，初步設(shè)定：h=20μm，R=200μm。其固有頻率可以按下式計算：

   

4 傳感器的性能分析與計算
    使用介觀壓阻效應(yīng)原理代替壓阻原理來檢測壓力，將圓膜片上的的壓敏電阻換成GaAs／A1As／InGaAs DBRT結(jié)構(gòu)薄膜。用傳遞矩陣法計算該薄膜在沿生長方向的應(yīng)力變化下的輸出響應(yīng)，通過整個結(jié)構(gòu)的隧穿電流密度可表示為：

式中：e為電子電荷的大小，m*為GoAs電子的有效質(zhì)量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，EF為費米能級，E1為入射電子垂直(縱向)能量。
    利用公式可計算出不同拉伸應(yīng)變下隧穿電流隨偏壓的變化，如圖4所示。圖中實線、虛線分別表示0和5％的拉伸應(yīng)變。計算偏壓分別為0．75 V和1.2 V時的壓阻系數(shù)為：  偏壓為1.2V時的壓阻系數(shù)為：

    傳感器的輸出為：

    設(shè)偏壓為0．75 V設(shè)偏壓為0．75 V，電橋的激勵電壓為2．5 V的情況下，該傳感器的靈敏度S為：

   

5 結(jié)語
    該結(jié)構(gòu)的壓力微傳感器由于敏感元件與變換元件一體化，尺寸小，其固有頻率很高，可以測量頻率范圍很寬的脈動壓力。在不同的偏壓下，該傳感器的靈敏度不同。說明靈敏度可調(diào)節(jié)。同樣結(jié)構(gòu)的微壓力傳感器，如果敏感元件是硅或銅鎳合金壓敏電阻，其靈敏度分別為0．38x104V／m和O．17×104V／m?？梢姴捎霉舱袼泶┒O管做為敏感元件的微壓力傳感器其靈敏度較之傳統(tǒng)的傳感器得到了很大的提高。