一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法技术

本发明专利技术提供了一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法，首先，测量压力传感器芯片结构层薄膜的杨氏模量、初始内应力值；利用ANSYS软件使用Solid 186单元类型，创建压力传感器芯片结构模型，完成几何建模和定义材料参数后，对模型进行网格划分；施加位移约束条件，对所述模型周边进行固定，限制X、Y、Z三个方向的自由度，施加外加压力，求解应力、挠度分布，得到等效应力云图；通过等效热应力法引入薄膜初始内应力，仿真不同内应力下压力传感器的输入-输出特性，并计算其非线性。本发明专利技术具有方法简单、准确性高的优点，能够快速衡量压力传感器的非线性误差和灵敏度，以指导压力传感器性能的优化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法
本专利技术涉及一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法。
技术介绍
压阻式压力传感器由于微机械加工技术的发展使其敏感元件微型化，生产批量化、低成本化，确立了其在压力测量领域的主导地位，较之传统的膜合电位计式，力平衡式，变电感式，变电容式，金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好、精度较高、低功耗、易于微型化与集成化等一系列优点，在工业、汽车和医学等领域有着广泛的应用。一般情况下，压阻式压力传感器的加工方式分为体微机械加工和表面微机械加工。而表面微机械加工的压力传感器芯片因其工艺与IC工艺相兼容，可以将信号调节电路，微处理器等集成在一起，而且可以将其他测试功能用同样的工艺集成在一起，如加速度测试，温度测试等，使得芯片多功能化，更符合目前测试系统集成化、小型化和低成本化的发展要求。表面微机械加工的压力传感器芯片在制备过程中通常会由于薄膜本身的结构因素和缺陷，或衬底与膜片之间热膨胀系数不匹配而引入初始内应力，薄膜初始内应力通常会影响压力传感器工作时的测量精度，目前已有文献提出张内应力会降低传感器的灵敏度；此外，电阻钝化层上的初始内应力也会影响传感器的输出非线性。薄膜内应力的存在对薄膜的力学性能有很大的影响，应力过大时，可能会导致薄膜脱落、龟裂，使薄膜结构遭到破坏而导致失效。此外，薄膜内应力还对微机械加工传感器的机械、电学等性能有很大的影响。探明薄膜内应力的产生根源，并控制其大小，获得更微小、更线性和高灵敏度的敏感元件结构；解决低量程高灵敏度与超薄梁膜大挠变引起的非线性两者间的矛盾，获得线性精度较高的超微量程压力传感器。因此本专利技术提供一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)测量压力传感器芯片结构层薄膜的杨氏模量；(2)测量压力传感器芯片结构层薄膜的初始内应力值；(3)创建压力传感器芯片结构模型：利用ANSYS软件使用Solid186单元类型，完成几何建模和定义材料参数后，对模型进行网格划分；(4)施加位移约束条件，对所述模型周边进行固定，限制X、Y、Z三个方向的自由度，施加外加压力，求解应力、挠度分布，得到等效应力云图；(5)通过等效热应力法引入薄膜初始内应力，仿真不同内应力下压力传感器的输入-输出特性，并计算其非线性。进一步地，所述步骤(1)中采用TriboIndenter纳米压痕系统来测定。进一步地，所述步骤(2)中采用FLX-2320薄膜应力仪测量所述薄膜硅基体弯曲量的差值，计算求得所述薄膜的初始内应力。进一步地，所述步骤(3)中对模型进行网格划分是在MeshTool中把GlobalSize中的SIZE选项设为5e-6。进一步地，所述压力传感器芯片结构层薄膜为低应力氮化硅薄膜，步骤(3)中定义的材料参数为：杨氏模量E＝2.24e11Pa、泊松比υ＝0.23、热膨胀系数α＝2.1e-6/k。非线性是衡量压力传感器性能的一个重要指标，当压力传感器的使用量程小时，需解决低量程高灵敏度输出与超薄梁膜大挠度引起的非线性误差之间的矛盾。通过降低压力传感器芯片结构层薄膜的厚度，来提高压力传感器的灵敏度，但是，当通过腐蚀的方式来降低压力传感器芯片结构层薄膜的厚度时，在所述薄膜的中平面会发生拉伸形变，即“气球效应”，使得压力传感器的非线性误差明显变大，从而降低对线性精度要求较高的微压传感器的生产合格率。本专利技术所述的内应力影响下压力传感器非线性判别方法，采用ANSYS软件、通过有限元分析，建立压力传感器芯片结构的有限元模型，模拟仿真不同初始内应力下压力传感器的输入-输出特性，来判定压力传感器的非线性。具有方法简单、准确性高的优点，能够快速衡量压力传感器的非线性误差和灵敏度，以指导压力传感器性能的优化设计。附图说明图1为测量低应力氮化硅薄膜杨氏模量时的纳米压痕的加载和卸载时间。图2为测量低应力氮化硅薄膜杨氏模量时载荷和压入深度的关系。图3为施加的压力载荷为大小为60kPa、且位垂直于所述模型板面的面载荷时所述模型的挠度、应力云图分布。图4为具有不同初始内应力的所述压力传感器的输入-输出关系图。图5为压力传感器实验(散点)和仿真(实线)的非线性特性曲线。图6为压力传感器在不同薄膜内应力下的非线性及灵敏度输出曲线。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。以低应力氮化硅薄膜作为压力传感器结构层薄膜为例，详细说明本专利技术所述的内应力影响下绝对压力传感器非线性判别方法。首先，采用低压化学气相沉积(LPCVD)法，调节二氯二氢硅和氨气的流量比，在850℃的生长温度下，沉积低应力氮化硅薄膜(简称LSSiN)，并以此低应力氮化硅薄膜作为压力传感器芯片的结构层薄膜。采用Hysitron公司的TriboIndenter纳米压痕系统，通过连续控制和记录加卸载的载荷和位移数据，得到LSSiN的杨氏模量。具体的，载荷加载如图1所示，载荷和压入深度如图2所示。根据以下公式求解杨氏模量：故：式中E和ν分别为样品的弹性模量与泊松比，Ei和νi分别为压头的弹性模量与泊松比，分别为1141GPa和0.07，Er是综合杨氏模量。采用FLX-2320薄膜应力仪测量LSSiN硅基体弯曲量的差值，计算求得所述LSSiN的初始内应力。然后，利用ANSYS软件使用Solid186单元类型，创建压力传感器芯片结构模型，完成几何建模和定义材料参数后，对模型进行网格划分。具体的，建立模型的结构尺寸为360μm×80μm，厚度为1.2μm；对于LSSiN，设定的材料参数为：杨氏模量E＝2.24e11Pa、泊松比υ＝0.23、热膨胀系数α＝2.1e-6/k。较佳地，对模型进行网格划分时，是在MeshTool中把GlobalSize中的SIZE选项设为5e-6。网格划分后的理论模型包括7779个单元，16084个节点，所有的单元都是20节点Solid186单元。对所述压力传感器芯片结构模型施加位移约束条件，对模型周边进行固定，限制X、Y、Z三个方向的自由度，施加外加压力，求解应力、挠度分布，得到等效应力云图。当施加的压力载荷为大小为60kPa、且位垂直于所述模型板面的面载荷时，所述模型的挠度、应力云图如图3所示。在60kPa外加压力下的ANSYS位移云图如图3(a)所示，最大位移出现在所述模型的中心位置处，大小为0.185μm，越靠近边缘位置，位移越小，直至到边界处减小为0。在60kPa外加压力下的ANSYS纵向应力和横向应力云图分别如图4(b)、3(c)所示，最大应力出现在所述模型的长边边界处。在60kPa外加压力下所述模型的ANSYS等效应力云图如图3(d)所示。最后，通过等效热应力法引入薄膜初始内应力，仿真不同内应力下压力传感器的输入-输出特性，并计算其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)测量压力传感器芯片结构层薄膜的杨氏模量；(2)测量压力传感器芯片结构层薄膜的初始内应力值；(3)创建压力传感器芯片结构模型：利用ANSYS软件使用Solid186单元类型，完成几何建模和定义材料参数后，对模型进行网格划分；(4)施加位移约束条件，对模型周边进行固定，限制X、Y、Z三个方向的自由度，施加外加压力，求解应力、挠度分布，得到等效应力云图；(5)通过等效热应力法引入薄膜初始内应力，仿真不同内应力下压力传感器的输入‑输出特性，并计算其非线性。

【技术特征摘要】
1.一种内应力影响下压力传感器非线性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)测量压力传感器芯片结构层薄膜的杨氏模量；(2)测量压力传感器芯片结构层薄膜的初始内应力值；(3)创建压力传感器芯片结构模型：利用ANSYS软件使用Solid186单元类型，完成几何建模和定义材料参数后，对模型进行网格划分；(4)施加位移约束条件，对模型周边进行固定，限制X、Y、Z三个方向的自由度，施加外加压力，求解应力、挠度分布，得到等效应力云图；(5)通过等效热应力法引入薄膜初始内应力，仿真不同内应力下压力传感器的输入-输出特性，并计算其非线性。2.根据权利要求1所述的压力传感器非线性判别方法，其特征在于，所述步骤(1)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑蓓蓉，王权，张艳敏，薛伟，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33