一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法技术

本发明专利技术提供一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，引入压敏电阻的热零点漂移和热灵敏度漂移进行全温区性能分析，便于进行后续有效温度补偿；热零点漂移和热灵敏度漂移的获得方法为：通过将不同掺杂浓度下电阻率与温度的变化关系、不同掺杂浓度下压阻系数与温度的变化关系输入至有限元软件COMSOL中构建的压阻式压力传感器结构模型中，解算得到静态输出特性曲线和温度漂移特性曲线，并最终得到热零点漂移和热灵敏度漂移。本发明专利技术是为了解决压阻式压力传感器设计方法的缺陷，将硅压阻材料的温度特性与有限元仿真软件COMSOL相结合，实现考虑温度影响的压阻式压力传感器的设计，提供全温区压阻式压力传感器的设计方法，为后续有效温补提供重要理论支撑。续有效温补提供重要理论支撑。续有效温补提供重要理论支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法


[0001]本专利技术涉及测量测试
，具体涉及一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法。

技术介绍

[0002]压阻式压力传感器因其稳定性好、灵敏度高、频率响应范围宽、体积小、易于集成化等特点，成为目前发展速度快、使用非常广泛的压力传感器，已成功应用于航天航空、海洋气象、流程工业、生物医学等各个领域。然而，基于扩散硅工艺技术制备的压阻式压力传感器，因其硅半导体材料的特性参数易受温度影响，压敏电阻条内部的少数载流子迁移，导致传感器的输出也会受到温度作用，产生较大的热零点漂移和热灵敏度漂移，从而造成在相同的外界压力下，压力传感器对温度敏感，且这种由温度引起的输出电压变化常表现为非线性。此外，受制于工艺加工的一致性，同一批次的传感器温度漂移性能也并非一致，影响着压阻式压力传感器的测量精度和应用范围。
[0003]经分析，压阻式压力传感器的热零点漂移(TCO)主要受两个方面影响：(1)是构成惠斯通电桥的四个压敏电阻的阻值R不同。受到目前制作工艺水平的限制，无法确保离子注入时压敏电阻表面的掺杂浓度完全一致，导致四个压敏电阻的初始阻值不统一。(2)是当传感器工作发热或者外界温度改变时，不同的掺杂浓度受到不同的热应力，因此在同一温度条件下各个压敏电阻的阻值变化并不相同，这是零点温度漂移的另一原因。另一方面，压力传感器的热灵敏度漂移(TCS)主要来源于如下三个方面：(1)是受到温度影响，压阻系数π发生变化，又压力灵敏度与电阻的压阻系数直接相关，从而引起压力灵敏度的改变。(2)是制作压敏电阻的硅材料与其附着的绝缘材料热膨胀系数不同，相同温度环境下会产生额外的热应力，从而使灵敏度发生变化。(3)是压敏电阻掺杂不均匀导致的灵敏度变化。
[0004]上述除了由于工艺加工、封装制备等过程中引入的材料残余应力和热应力外，硅压敏电阻本身的电阻率ρ及压阻系数π直接影响着传感器的温度漂移特性，且压阻材料参数随温度的变化(～6000ppm/K)远大于几何结构的温度变化(～10ppm/K)，成为了温度影响的主要因素。同时，近年来多物理场耦合的有限元软件COMSOL的快速发展，及其独特的压阻分析模块，极大地提高了压阻式压力传感器的设计效率，已成为MEMS传感器设计仿真的发展趋势。
[0005]然而，现有的压阻式压力传感器设计方法往往只关注常温下的静态输出特性，鲜有考虑其温度影响的设计，这给传感器的整体性能评价带来了困难，急需寻找一种通用、准确的传感器设计方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为了解决压阻式压力传感器设计方法的缺陷，将硅压阻材料的温度特性与有限元仿真软件COMSOL相结合，实现考虑温度影响的压阻式压力传感器的设计，提供全温区压阻式压力传感器的设计方法，为后续有效温补提供重要理论支撑。
[0007]本专利技术提供一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，
[0008]在进行压阻式压力传感器设计时，引入压敏电阻的热零点漂移和热灵敏度漂移进行全温区性能分析，便于进行后续有效温度补偿；
[0009]热零点漂移和热灵敏度漂移的获得方法为：通过将不同掺杂浓度下电阻率ρ与温度的变化关系、不同掺杂浓度下压阻系数π与温度的变化关系输入至有限元软件COMSOL中构建的压阻式压力传感器结构模型中，解算得到静态输出特性曲线和温度漂移特性曲线，并得到热零点漂移和热灵敏度漂移；
[0010]压阻式压力传感器结构模型的电学输入端口设置恒压源或恒流源、电学输出端口设置浮动电势，压阻式压力传感器结构模型的力学输入端口设置外界压力、力学固定端口设置固定边界条件，在压阻式压力传感器结构模型的材料域设置压阻材料电阻率ρ和压阻系数π。
[0011]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，不同掺杂浓度下电阻率ρ与温度的变化关系根据如下方法获得：电阻率ρ反比于掺杂浓度与载流子平均迁移率的乘积，而电阻率ρ(N,T)是掺杂浓度和温度的函数，利用半经验数学公式获得载流子迁移率的表达式，由此得到不同掺杂浓度下电阻率ρ与温度的变化关系。
[0012]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，载流子迁移率μ
av
在恒温下的表达式为：
[0013][0014]其中，μ
min
为预计的最小迁移率，μ0为预计的最大迁移率与最小迁移率的差值，N
ref
为参考掺杂浓度，α为N＝N
ref
附近的斜率控制指数参数，N为掺杂浓度。
[0015]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，电阻率ρ(N,T)的表达式为：
[0016][0017]其中，N为掺杂浓度，T为温度，T0为参考温度，T0为300K，Nb、Nc、ν、κ、α、β、γ、η均为系数参量。
[0018]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，不同掺杂浓度下压阻系数π与温度的变化关系根据如下方法获得：压阻系数π是掺杂浓度N和温度T的函数，将压阻修正因子P的表达式带入后得到不同掺杂浓度下压阻系数π与温度的变化关系。
[0019]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，压阻系数π为常温下压阻系数π与压阻修正因子P的乘积；
[0020]压阻系数π
44
的为：
[0021]π
44
(N,T)＝π
44
(300K)
·
P(N,T)；
[0022]其中，π
44
(300K)为常温下的压阻系数，P(N,T)为压阻修正因子。
[0023]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，不同掺杂浓度下压阻系数π与温度的变化关系为：
[0024][0025]其中，N为掺杂浓度，T为温度，T0为参考温度300K，Nb、Nc、ν、α、β、γ、η均为系数参量。
[0026]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，有限元软件COMSOL通过稳态研究下外界压力的参数化扫描实现对压阻式压力传感器结构模型常温下的静态输出特性仿真，获得压阻式压力传感器的量程、零点误差、灵敏度及非线性指标；
[0027]有限元软件COMSOL通过稳态研究下外界压力与温度的双参数化扫描实现对压阻式压力传感器结构模型不同温度下的温度漂移特性仿真，并最终获得压阻式压力传感器的热零点漂移及热灵敏度漂移指标。
[0028]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，压阻式压力传感器结构模型采用惠斯通电桥。
[0029]本专利技术所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，作为优选方式，压阻式压力传感器结构模型的感压膜使用平膜结构、岛膜结构或梁膜结构；
[0030]惠斯通电桥包括以下任意一种：1/4桥、半桥、全桥、开桥和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，其特征在于：在进行压阻式压力传感器设计时，引入压敏电阻的热零点漂移和热灵敏度漂移进行全温区性能分析，便于进行后续有效温度补偿；所述热零点漂移和所述热灵敏度漂移的获得方法为：通过将不同掺杂浓度下电阻率ρ与温度的变化关系、不同掺杂浓度下压阻系数π与温度的变化关系输入至有限元软件COMSOL中构建的压阻式压力传感器结构模型中，解算得到静态输出特性曲线和温度漂移特性曲线，并得到所述热零点漂移和所述热灵敏度漂移；所述压阻式压力传感器结构模型的电学输入端口设置恒压源或恒流源、电学输出端口设置浮动电势，所述压阻式压力传感器结构模型的力学输入端口设置外界压力、力学固定端口设置固定边界条件，在所述压阻式压力传感器结构模型的材料域设置压阻材料电阻率ρ和压阻系数π。2.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，其特征在于：不同掺杂浓度下电阻率ρ与温度的变化关系根据如下方法获得：电阻率ρ反比于掺杂浓度与载流子平均迁移率的乘积，而电阻率ρ(N,T)是掺杂浓度和温度的函数，利用半经验数学公式获得载流子迁移率的表达式，由此得到不同掺杂浓度下电阻率ρ与温度的变化关系。3.根据权利要求2所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，其特征在于：所述载流子迁移率μ
av
在恒温下的表达式为：其中，μ
min
为预计的最小迁移率，μ0为预计的最大迁移率与最小迁移率的差值，N
ref
为参考掺杂浓度，α为N＝N
ref
附近的斜率控制指数参数，N为掺杂浓度。4.根据权利要求3所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，其特征在于：电阻率ρ(N,T)的表达式为：其中，N为掺杂浓度，T为温度，T0为参考温度，T0为300K，Nb、Nc、ν、κ、α、β、γ、η均为系数参量。5.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的压阻式压力传感器设计方法，其特征在于：不同掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝文昌，郝玉涛，韩东祥，杨健，许姣，赵广宏，尹玉刚，
申请(专利权)人：航天长征火箭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：