压力传感器的过载保护实现

　　图2 压力芯片照片

　　采用气体加压的方式对芯片样品进行了测试。测试温度条件为室温，激励源为1 mA 恒流源，其输出特性测试结果如图3 所示。

　　图3 压力芯片输出特性测试结果

　　由图3 可见，随着压力载荷的增加，输出电压并未随之线性增加，其增加的程度逐渐减小，而且满量程输出未达到设计要求。经过分析，出现图3 所示的现象应该是由于芯片的密封腔体有泄漏引起的。虽然有泄漏，但芯片仍然表现出了压力敏感特性，而且利用多晶硅纳米膜研制的硅杯结构压力传感器能够满足设计要求。因此，改善工艺解决泄漏问题后，牺牲层结构多晶硅纳米膜压力传感器的性能应该能满足设计要求。

2 牺牲层厚度对过载能力的影响

　　对于上述0.1 MPa 传感器，当最大应力达到硅的断裂强度4.5 × 108 N/m2 时，膜片底部与衬底不发生接触，过载能力不高。如果减小牺牲层厚度使膜片断裂前与衬底接触便可提高过载能力，牺牲层厚度越小过载能力越强，但不可避免会引入非线性形变，因此本文将利用静态线性分析与非线性接触分析相结合的方法，对牺牲层厚度进行优化设计，提高压力传感器的过载能力。

　　2.1 过载能力及极限过载能力

　　对于采用湿法腐蚀的扩散硅压力传感器，其压力敏感结构上的二氧化硅和氮化硅等绝缘或保护层厚度比弹性膜厚度小很多，一般在结构分析和应力分布分析中可以忽略它们的影响。但是，本文的牺牲层结构压力传感器的多晶硅弹性膜片厚度为3 μm、二氧化硅绝缘层厚度为0.5 μm，二氧化硅层厚度相对于多晶硅而言不可以忽略，所以在优化模拟仿真时需要考虑其对应力分布的影响。

　　利用有限元法对上述0. MPa 传感器的力敏结构进行模拟分析，可知当加载压力使膜片上的最大应力刚好达到硅的断裂强度时，膜片中心的挠度为1.6 μm。显然，牺牲层厚度H2 1.6 μm 时，膜片在断裂前可与衬底接触，因此，需要采用非线性接触分析来计算过载能力; 而牺牲层厚度H2≥1.6 μm 时，无需考虑膜片与衬底接触问题。

　　牺牲层厚度H2 1.6 μm 时，随着牺牲层厚度的减小，使膜片与衬底刚好接触所加载的压力也随之减小，当牺牲层厚度减小使该加载压力减小到刚好满量程压力时，牺牲层厚度不可再减