一种基于两块可变形膜的新型接触式电容压力传感器外文翻译中英文翻译外文文献翻译.docx

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一种基于两块可变形膜的新型接触式电容压力传感器

焦语仲

光学技术微工艺国家重点实验室

中国科学院光电子研究所中国成都610209

E-mail:

Phoritto@yahoo.Com

摘要:

为了获得更好的线性特征，我们设计了名为DDTMCPS的一种新型的具有一对可变形感应膜的接触式电容压力传感器。

与现有的接触式电容压力传感器相比较，新型传感器具有更好的线性、大的线性工作范围等特征。

这样一个装置也有高灵敏度,和普通接触式电容压力传感器所没有的其它优势。

在这种新型的传感器中，第二片作为底部电极的膜在修改第一片作为顶部电极的膜产生的偏差时起了很大作用，进一步优化了接触式传感器的性能。

硅熔接技术被用于制造这种新型传感器。

关键词：

TMCPS、DDTMCPS、线性、灵敏度

中图分类号：

TP212文献标识码：

A

文章编号：

167124776（2003）0820492204

1、引言

众所周知，电容压力传感器具有高灵敏度,耐用的结构,对外环境影响低灵敏性和没有温度漂移。

但是，电容值与两电极之间的距离成反比关系导致了这个装置较大的非线性度的缺点。

为了改进电容压力传感器的线性度，我们做出了很大努力。

在那些尝试中,接触式电容压力传感器是比较成功的设计，因为它不仅能获得好的线性度，而且有较大的电压工作范围和顺利获得了过载保护[1~5]。

基于以前的研究和对接触式电容压力传感器深入理解,我们设计了这种基于一对可变形感应膜的新型接触式电容压力传感器。

与现有的接触式电容压力传感器相比较，新型传感器具有更好的线性、大的线性工作范围等特征。

这样一个装置也有高灵敏度,和普通接触式电容压力传感器所没有的其它优势。

在这篇论文中,我们描述了这种新型接触式电容压力传感器的结构特征和本身特性，并且给出了新型装置和传统的接触式电容压力传感器的比较。

2、结构特征

这种新型装置在结构上非常不同于常规的电容压力传感器（NMCPS）和传统的接触式电容压力传感器（TMCPS）。

图1（a）、（b）、（c）分别给出了NMCPS、TMCPS和新型装置的结构示意图。

NMCPS的结构与TMCPS的结构很相似。

他们的主要差异在于压力敏感膜的工作状态。

在正常方式运作中,感应膜与底层保持一定的距离，然而，在接触方式运作中感应膜允许与底层的薄绝缘层接触。

在NMCPS和TMCPS中，感应膜由p+硅或者其它导体制造出来，适用作上部电极。

另一电极作为底部电极被置于底层上。

当一对电极彼此接触的时候，底部电极上需铺一层薄绝缘层来阻止短路。

在二电极之间有一个真空的洞。

NMCPS和TMCPS所用的结构上参数是膜的大小a（和b）（为圆形膜的半径，在正方形或矩形膜的边长，a，b分别代表矩形膜的边长和宽度），膜的厚度用h表示，空穴的初始间隙为g，并且绝缘层厚度为t（对于NMCPS不重要）。

新型装置包括两片分别作为顶部电极和底部电极的悬浮的膜，两个与外界隔绝的密封谐振腔，一层服着于两片膜之一上的绝缘层，如图1.所示。

在NMCPS和TMCPS中，底部电极被固定在底层上，然而在新装置中，底部电极是随着第二片膜的变形而活动着的。

在接触以前，第一片膜象压力载荷增长那样变形，但是第二片膜是静止的。

在接触后第一片膜施力于第二片膜，导致了第二片膜的变形。

新装置的基本结构参数有第一片膜的厚度h1、第二片膜的厚度h2、第一片膜的大小a1（b1）、第一个空穴的初始间隙g1、第二个空穴的初始间隙g2、绝缘层的厚度t。

所有这些参数都与机械特性无关，随着必要条件的不同而变化。

既然新的电容压力传感器需要两片悬浮的膜来形成，我们可以把这样一种新装置命名为双膜接触式电容压力传感器，缩写为DDTMCPS。

在以下部分，我们会给出与DDTMCPS特性有关的模拟结论。

图1、三种类型电容压力传感器的示意图

3、C2P特性

图2表明了有两片用掺杂了很多硼的硅（P+）制成的正方形膜、边长a1=a2=400μm、厚度h1=h2=5μm、两电极μm间初始间隙g1=5μm、绝缘层厚度t=0.35μm的DDTMCPS的C2P特性在标准区域超越了传统接触式。

图2、DDTMCPS和TMCPS在四个区域：

标准区、过渡区、

线性区和饱和区的模拟C2P特性示意图

a1=a2=a=400μm，h1=h2=h=5μm，g1=g=5μm

为了比较，图中也给出了参数为a=400μm，h=5μm，g=5μm，和t=0.35μ的正方形P+膜构成的TMCPS的C2P特性。

和TMCPS一样，DDTMCPS的特性也有四个区域，即标准区、过渡区、线性区和饱和区。

当压力负荷小于52Psi时，第一片膜没有接触到第二片膜时，在这个区内的特性和NMCPS一样。

当第一片膜开始和第二片膜接触时，C2P曲线进入过渡区。

在短暂的过渡区之后，在装置将正常运作的地方，曲线显示出了一片相当大的线性区。

当线性区的灵敏度

（dC/dP）大幅度地减小时饱和区开始。

与TMCPS的特性相比较，C2P曲线清楚地给出了更大的线性区，而且尽管灵敏度有一定程度的降低，但线性区之上表现出了更好的线性度。

图3、给出了结构参数如上的DDTMCPS和TMCPS的灵敏度曲线。

从图形我们可以观察到在接触前DDTMCPS和TMCPS有相同的灵敏度。

接触之后灵敏度值不同。

TMCPS具有较高的灵敏度。

然而与DDTMCPS的林灵敏度曲线比较，我们发现TMCPS的灵敏度曲线表现出了灵敏度在过渡区中（之后）快速取得较高数值这样一种趋势，通过一段平滑的灵敏度区后，灵敏度以更快地速度下降。

DDTMCPS的灵敏度曲线表明了一段更大的平滑灵敏度区。

当压力负载接近饱和区时灵敏度值下降缓慢，这使新装置能表现出更好的线性度和更大的工作范围。

在图中，出现一些波纹。

这主要是由于数字化处理错误导致地。

文章中的所有数据都来自于使用有限元分析法程序，ANSYS软件。

它还能进行更多的计算细节。

图3、如上同样大小的膜的灵敏度的比较

图4、表明了上述DDTMCPS在应用范围从70Psi到120Psi之外的线性最小平方适合曲线。

工作范围的有效灵敏度，合适直线的斜率是0.0144pF/Psi，非线性度被定义为：

公式中：

ΔCmax是从适合直线特性的最大变量；Cmax和Cmin分别表示工作范围中电容的最大值和最小值。

在图4、中，新装置的非线性度是0.78%。

图4、上述的DDTMCPS在工作范围从70Psi到120Psi中线性

最小平方合适曲线，其斜率为0.0144PF/Psi，非线性度为0.78%

这种新装置的工作范围和非线性度、灵敏度间有着紧密的关系。

图5、表明了大小如上所述的DDTMCPS和TMCPS的非线性度和压力工作范围间的关系。

对于DDTMCPS来说，随着工作范围地增加，非线性度增加，然而对于TMCPS来说，非线性度首先缓慢减小，然后象DDTMCPS的变化趋势那样增加。

尽管DDTMCPS的工作范围的大小和非线性度往往小于普通的TMCPS，尤其当工作范围在50~60Psi之间时。

当工作范围被选定在50Psi时，这种装置能达到0.723%的非线性度，这远小于当TMCPS也工作在50Psi时的1.45%的非线性度。

对于指定的非线性度，DDTMCPS能实现比TMCPS有更大的工作范围。

图5、如上述大小的DDTMCPS和TMCPS的

非线性度和线性工作范围之间的关系

4、结论

这篇文章所陈述的涉及到我的一个设计——一种新型的接触式电容压力传感器。

DDTMCP已经表明了这种传感器的结构特点。

DDTMCPS主要的优点是更好的线性度和更大的工作范围。

除此之外如果两种传感器有相同的膜参数，则DDTMCPS的灵敏度要较小于TMCPS，DDTMCPS几乎拥有TMCPS所有的优点。

第二片作为底部电极的膜在修改第一片作为顶部电极的膜产生的偏差时起了很大作用，进一步优化了接触式传感器的性能。

第二片膜的合适的厚度对获得更好的性能至关重要。

所有的数据都来源于有限元分析软件，ANSYS。

根据DDTMCPS的结构特征，硅熔接技术将成为制作DDTMCPS的一个好方法是有希望的。

参考文献

[1]　KOWH,WANGQ,WANGY.Touchmodecapacitivepressuresensorsforindustrialapplication[A].IEEEIntWorkshoponSolidStateSensorandActuator,TechnicalDigest[C].HiltonHeadIsland,1996.24422481

[2]　WANGQ,KOWH.Si2to2Sifusionbondedtouchmodecapacitivepressuresensors[J].Mechatronics1998,8,4672484.

[3]WANGQ.Touchmodecapacitivepressuresensorsandinterfacecircuits[D].PHDThesis,CaseWesternReserveUniversity,January1998.

[4]KOWH,WANGQ.Touchmodecapacitivepressuresensors[J].SensorsandActuatorsA,1999,75,2422251.

[5]GUOSW,GUOJ,KOWH.Amonolithicallyintegratedsurfacemicromachinedtouchmodecapacitivepressuresensor[J].SensorandActuators,2000,80,2242232

Anewtouchmodecapacitivepressure

sensorwithtwodeformablediaphragms

JIAOYuzhong

（StateKeyLabofOpticalTechnologiesforMicrofabrication,

InstituteofOpticsandElectronics,ChineseAcademyofSciences,

Chengdu610209,China）E-mail:

Phoritto@yahoo.Com

Abstract:

Toachievethecharacteristicsofbetterlinearity,anewtypeoftouchmodecapacitivepressuresensornamedasDDTMCPSisdevised,whichhasapairofdeformablesensingdiaphragms.Comparedtopresenttouchmodecapacitivepressuresensors,thenewsensorischaracterizedbybetterlinearity,andlargelinearoperationrange.Suchadevicealsohashighsensitivity,andotheradvantagesofnormaltouchmodecapacitivepressuresensor.Inthecaseofsuchanovelsensor,theseconddiaphragmservedasbottomelectrodeplaysgreatrolesinmodifyingthedeflectionofthefirstdiaphragmservedastopelectrode,furthermoreoptimizingtheperformanceoftouchmodesensors.Siliconfusionbondingtechnologyisadvisedtofabricatethenoveldevice.

Keywords:

TMCPS;DDTMCPS;linearity;sensitivity

CLCnumber:

TP212　Documentcode:

A　

ArticleID:

167124776（2003）07/0820492204

1　Introduction

Capacitivepressuresensorsareknowntohavehighsensitivity,robuststructure,lowsensitivitytoouterenvironmenteffectsandnoturnontemperaturedrift.However,largenonlinearityisthedrawbackofsuchdevicesduetotheinverserelationbetweencapacitanceandspacingbetweentwoelectrodes.Muchefforthasbeenmadetoimprovethelinearityofcapacitivepressuresensors.Amongthoseattempts,touchmodecapacitivepressuresensorisamoresuccessfuldesignforinthatnotonlygoodlinearityisgotten,butalsolargeoperatingpressurerange,andlargeoverloadprotectionareachieved[1~5].Onthebasisofthepreviousstudyandthedeepunderstandingoftouchmodecapacitivepressuresensor,anewtypeoftouchmodecapacitivepressuresensorthathasapairofdeformablesensingdiaphragmsisdevised.Comparedwithpresentones,thenewsensorhasthecharacteristicsofbetterlinearity,andlargerlinearoperationrange.Suchadevicealsohashighsensitivityandotheradvantagesofnormaltouchmodecapacitivepressuresensor.

Inthispaper,thestructuralfeaturesarepresentedandthecharacteristicsofthenoveltouchmodecapacitivepressuresensorissimulated,andnecessarycontrastsbetweenthenoveldeviceandconventionaltouchmodecapacitivepressuresensorarealsogiven.

2　Structuralfeatures

Thenoveldevicediffersgreatlyfromnormalmodecapacitivepressuresensor（NMCPS）andconventionaltouchmodecapacitivepressuresensor（TMCPS）intheconfiguration.Fig.1（a）,（b）,（c）givetheschematicviewsoftheconfigurationsofNMCPS,TMCPSandthenoveldevice,respectively.ThestructureofNMCPSisquitesimilartothatofTMCPS.Theirmaindifferenceliesintheworkingstateofthepressuresensitivediaphragm.Inthenormalmodeoperation,thediaphragmiskeptatadistance

awayfromthesubstrate,while,inthetouchmodeoperation,thediaphragmisallowedtocontactthesubstratewithathininsulatinglayer.InNMCPSandTMCPS,thesensingdiaphragmmadefromp+siliconorotherconductors,isservedasupperelectrode.Theotherelectrodeintermsofbottomelectrodeissituatedonthesubstrate.Athininsulatinglayerisneededtodepositonthebottomelectrodetostopshortcircuitingwhenthepairofelectrodescontactseachother.Thereisavacuumcavitybetweenthetwoelectrodes.TheusedstructuralparametersofNMCPSandTMCPSarediaphragmsizea（andb）（radiusforcirculardiaphragm,edgelengthforsquareorrectangulardiaphragm,wherea,bdenotetheedgelengthandwidthofarectangulardiaphragm,respectively）,diaphragmthicknessh,initialgapofcavitygandinsulatordeptht（unimportantforNMCPS）.Thenewdeviceconsistsoftwosuspendeddiaphragmswhichserveastheupperandbottomelectrodes,respectively,twohermeticalsealedcavities,oneisolationlayerattachedononeofthetwodiaphragms,asshowninFig.1（c）.InNMCPSandTMCPS,thebottom

electrodeisfixedonthesubstrate,whileinthenoveldevicethebottomelectrodeismovable,followingthedeformationoftheseconddiaphragm.Beforetouchthefirstdiaphragmdeformsastheloadpressureincreases,buttheseconddiaphragmisstationary.Aftertouchingthefirstdiaphragmpressingontheseconddiaphragm,andresultsinthedeformationoftheseconddiaphragm.Theessentialstructuralparametersofthenewdevicearethethicknessofthefirstdiaphragmh1,thethicknessoftheseconddiaphragmh2,thefirstdiaphragmsizea1（b1）,theseconddiaphragmsizea2（b2）,theinitialgapofthefirstcavityg1,theinitialgapofthesecondcavityg2,theisolationlayerthicknesst.Alltheseparametersareindependentmechanicalqualities,andarechangeablewiththedifferenceofrequirements.Sincedoublesuspendeddiaphragmsareneededtoformthenewcapacitivepressuresensor,wecannamesuchadeviceasdoublediaphragmtouchmodecapacitivepressuresensor,forshort,DDTMCPS.Inthefollowingpart,the

Fig.1　Schematicviewsofthreetypesofcapacitivepressuresensors

simulatedresultsrelativetothecharacteristicsofDDTMCPSaregiven.

3　C2Pcharacteristics

Fig.2showstheC2PcharacteristicscoveringnormalandtouchmoderegionsofDDTMCPSthathastwosimilarsquarediaphragmsmadefromheavilyborondopedsilicon（p+）withsidelengtha1=a2=400μm,thicknessh1=h2=5μm,initialgapbetweentwoelectrodesg1=5μm,