介观压阻型微压力传感器介绍及规划

介观压阻型微压力传感器介绍及规划

　　压力传感器运用广泛，例如轿车中的多路压力丈量(如空气压力丈量和轮胎体系、液压体系、供油体系的压力丈量)、环境操控(如加热、通风和空气调理)中的压力丈量、航体系中的压力丈量以及医学中动脉血液压力丈量等。这儿将在传统压力传感器中运用一种新原理一介观压阻效应口，即在共振隧穿电压邻近，通过4个物理进程，将一个弱小的力学信号转化为一个较强的电学信号。

　　用基于介观压阻效应的共振隧穿薄膜替代传统的压阻式应变片作为灵敏元件，通过理论剖析和仿真核算验证了该构造对传感器灵敏度、固有频率的影响，从理论上证明了介观压阻效应原理能够进步压力传感器的灵敏度，扩展其丈量频率的规模。

　　介观压阻效应及GaAs，AlAs/InGaAsDBRT构造薄膜

　　介观压阻效应的界说为“等效电阻的应力调制"，等效电阻是对共振隧效应的一种详细描绘。由4个物理进程构成：①在力学信号下，纳米构造中的应力散布将发作改变；②必定条件下应力改变可致使内建电场的产生；③内建电场将致使纳米带构造中量子能级发作改变；④量子能级改变会致使共振隧穿电流改变。简言之，在共振隧穿邻近，通过上述进程，可将一个弱小的力学信号转化。为一个较强的电学信号，体现出较大的压阻系数。这儿所用的介观压阻效应元件为GaAs/A1As/InGaAs DBRT构造薄膜纳米级窄带隙资料。随着外部压力致使的拉伸应变的改变(如图1所示)，DBRT构造的共振隧穿电流和阻抗明显改变。而且，阻抗应变输出可由外部电压有用调理。其长处是灵敏度高、灵敏度可调、灵敏度随温度改变小。

　　传感器构造规划及力学剖析

　　所规划的压阻式压力微传感器，其制法是将N型硅腐蚀成厚10～25μm的膜片，并在一面分散了4个阻值持平的P型电阻。硅膜片周边用硅杯固定，则当膜片两面有压力差时，膜片即发作变形，然后致使电阻改变。用微电路检查出这种电阻改变，通过核算即可得出压力改变如图2所示。

　　核算时假定：小挠度理论；压力是均匀作用于平膜片外表。由平膜片的应力核算公式可知：

　　当r<0．635R时，σ>0；

　　同样，当r=0．812R时，σT=0，且σr<0，如图3所示。在圆形硅膜片上，沿[110]晶向，在0．635R半径表里各分散2个电阻，并恰当组织分散的方位，使得σn=一σro，则有(△R／R)i=一(△R/R)

　　这么即可构成差动全桥电路，测出压力P的改变。式中σri，σro别离为内、外电阻上所受径向力的平均值；(△R／R)i，(△R/R)别离为内、外电阻的相对改变。

　　依据膜的构造与应力核算公式，推出被测压力与应变片测出的应变：

　　式中：μ为硅资料的泊松比，μ=O.35；R,r，h别离为硅膜片的有用半径，核算半径，厚度；E为硅资料的模量，E=8．7Gpa；P为作用于平膜片上的压力；ω为平膜片的挠度；

　　通过剖析，综合考虑规划的请求，开始设定：h=20μm，R=200μm。其固有频率能够按下式核算：

　　传感器的功能剖析与核算

　　运用介观压阻效应原理替代压阻原理来检查压力，将圆膜片上的的压敏电阻换成GaAs／A1As／InGaAs DBRT构造薄膜。用传递矩阵法核算该薄膜在沿成长方向的应力改变下的输出呼应，通过全部构造的隧穿电流密度可表示为：

　　式中：e为电子电荷的巨细，m*为GoAs电子的有用质量，kB为玻尔兹曼常数，T为温度，EF为费米能级，E1为入射电子笔直(纵向)能量。

　　使用公式可核算出不一样拉伸应变下隧穿电流随偏压的改变，如图4所示。图中实线、虚线别离表示0和5％的拉伸应变。核算偏压别离为0．75 V和1.2 V时的压阻系数为：

　　传感器的输出为：

　　设偏压为0．75 V设偏压为0．75 V，电桥的鼓励电压为2．5 V的情况下，该传感器的灵敏度S为：

　　结语

　　该构造的压力微传感器因为灵敏元件与改换元件一体化，尺度小，其固有频率很高，能够丈量频率规模很宽的脉动压力。在不一样的偏压下，该传感器的灵敏度不一样。阐明灵敏度可调理。同样构造的微压力传感器，假如灵敏元件是硅或铜镍合金压敏电阻，其灵敏度别离为0．38x104V／m和O．17×104V／m。可见选用共振隧穿二极管做为灵敏元件的微压力传感器其灵敏度较之传统的传感器得到了很大的进步。