CN103630274A - 一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，包括固定的硅薄膜，在所述硅薄膜的顶部嵌入挠曲电介电薄膜后覆盖有绝缘层，并在硅薄膜周边也设置有绝缘层，所述挠曲电介电薄膜上下表面分别设置有上电极和下电极，与所述挠曲电介电薄膜的上电极和下电极分别连接有两条输出测量电荷信号的引线，所述硅薄膜下方具有施加压力的压力通道；本发明能够实现基于正挠曲电效应的微压力的测量。

Description

一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器

技术领域

本发明涉及微机电系统的微压力传感器技术领域，具体涉及一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器。

背景技术

压电材料在微纳机电系统中被广发使用，通常压电效应只存在于具有非中心对称结构的晶体中，而具有中心对称的晶体并不具有压电效应，这极大限制了材料的选择。工业上大量使用的压电材料是PZT类压电陶瓷，由于这类材料通常含有重金属铅，对于环境和人类健康都有害，然而在传统的压电材料中难以找到更适合的材料。压电器件通常包括电压产生器，微驱动器，声波生成器，振动传感器，压力传感器等。通常在压电学中很难实现厚度即薄而灵敏度又高的压电器件，因此复合材料和层合结构在压电器件中被大量使用。

挠曲电效应不同于压电效应，是一种电极化与材料中应变梯度成正比关系的一种现象。具有挠曲电效应的材料可以是具有中心对称结构的晶体，甚至是各向同性材料。挠曲电效应通常定义为：

$P_l={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ijkl}}\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_k}---\left(1\right)$

这里μ_ijkl是四阶挠曲电系数张量。

ε_ij是材料的弹性应变，

x_k是梯度的方向，

P_l是引起的电极化，

在国际单位制下，挠曲电系数的单位是C/m。

挠曲电效应具有和压电效应相似的机理，然而却存在于所有电介质中，在压电材料中挠曲电效应也很明显。与正压电效应与材料的弹性变形有关一样，正挠曲电效应与材料弹性变形的应变梯度有关，然而应变梯度是与结构特征尺度有关的量，这与应变完全不同。随着结构尺寸的减小，应变梯度将会急剧的增大，如从1毫米到1微米，相同应变条件下应变梯度却增加了103倍。这使得在微米甚至纳米尺度利用挠曲电效应制备具有类似压电响应的器件是可能的。

微压力传感器广泛应用于汽车和航天航空工业中，现有的微压力传感器都是基于被测压力引起薄膜的机械变形和应力的原理制成。薄膜的机械变形和应力可以通过几种转换方法将其转变成电信号输出。传统的压电电阻式微压力传感器基于薄膜的应变与压力之间的线性关系，然而应变在结构质量检测中并不是最好的检测对象。在小变形中，应变通常非常小，这大大增加了检测的难度。小应变大应变梯度的情况却是普遍存在的。在基于薄板理论的微压力传感器中，薄膜中的应变通常沿薄膜的厚度线性分布，这使得应变的测量较为复杂，例如应变电阻应尽可能的靠近薄膜表面和安置在应变较大位置而不能太靠近薄膜中性轴位置(应变为零位置)。在结构质量检测领域，基于应变与压力线性关系的硅薄膜微压力传感器具有有限的灵敏度，有限的带宽，并且难以接近隐藏区域(应变为零位置)。另外由于硅薄膜通常做挠度较小的谐振，导致压力敏感元件膜片的变形范围较小，从而增大了检测难度。但是硅薄膜在微变形下各个厚度层的曲率基本一致，而且具有较大的曲率半径。现设计一种基于挠曲电效应的MEMS硅微压力传感器，通过微压力与硅薄膜机械变形的应变梯度（曲率）之间的线性关系测量薄膜上受到的微压力。

发明内容

为了解决上述现有技术上存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，能够实现基于正挠曲电效应的微压力的测量。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，包括固定的硅薄膜2，在所述硅薄膜2的顶部嵌入挠曲电介电薄膜3后覆盖有绝缘层4，并在硅薄膜2周边也设置有绝缘层4，所述挠曲电介电薄膜3上下表面分别设置有上电极5和下电极6，与所述挠曲电介电薄膜3的上电极5和下电极6分别连接有两条输出测量电荷信号的引线7，所述硅薄膜2下方具有施加压力的压力通道8。

所述硅薄膜2和挠曲电介电薄膜3均置于金属外壳1内，引线7的一端从金属外壳1引出。

所述引线7与挠曲电介电薄膜3的上电极5和下电极6分别通过引线键合的方式连接。

所述挠曲电介电薄膜3为钛酸锶钡薄膜。

所述挠曲电介电薄膜3嵌入在硅薄膜2的顶部中央。

在所述硅薄膜2的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜3。

所述硅薄膜2通过其周边的绝缘层4固定在置于硅薄膜2下方的约束底座9上，所述约束底座9为中空结构形成压力通道8。

本发明和现有技术相比，具有以下优点：

1）本发明采用挠曲电效应测量微压力，与传统的硅微压力与应变成比例不同，这里的微压力与应变梯度成正比关系。克服了基于应变测量微压力的一些不足。

2）采用在硅薄膜2中嵌入挠曲电介电薄膜来测量输出电荷或正下极面电压，可以避免补偿电路和相应的程序算法，是一种更直接的测量方式。

3）相对于压电式压阻微压力传感器，具有高灵敏度，具有尺度效应，随薄膜尺度的减小灵敏度增加，并有望在低频检测领域发挥重要的作用。

4）在微尺度小变形情况下，大应变梯度依然存在，可极为容易的检测到电信号，甚至可直接输出电信号分析，为结构的现场检测提供了可能。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明硅薄膜顶部去掉绝缘层后的俯视图。

图3为本发明力学模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，包括固定的硅薄膜2，在所述硅薄膜2的顶部嵌入挠曲电介电薄膜3后覆盖有绝缘层4，并在硅薄膜2周边也设置有绝缘层4，所述挠曲电介电薄膜3上下表面分别设置有上电极5和下电极6，与所述挠曲电介电薄膜3的上电极5和下电极6分别连接有两条输出测量电荷信号的引线7，所述硅薄膜2下方具有施加压力的压力通道8。本实施例所述硅薄膜2通过其周边的绝缘层4固定在置于硅薄膜2下方的约束底座9上，所述约束底座9为中空结构形成压力通道8。

作为本发明的优选实施方式，所述硅薄膜2和挠曲电介电薄膜3均置于金属外壳1内，引线7的一端从金属外壳1引出。金属外壳1起到静电屏蔽的作用。

所述引线7与挠曲电介电薄膜3的上电极5和下电极6分别通过引线键合的方式连接。这样，介电薄膜上由正挠曲电效应产生的电荷或者上下电极电压就可以通过引线输出到外部检测仪器。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电介电薄膜3为钛酸锶钡薄膜。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电介电薄膜3嵌入在硅薄膜2的顶部中央。使得测量结果更精确。

作为本发明的优选实施方式，在所述硅薄膜2的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜3。这样，可以使电极面积最大，从而更容易检测到电荷或电压。

如图3所示，图中a为硅薄膜的半径，硅薄膜受微压力P而发生变形，嵌入硅薄膜的挠曲电介电薄膜与硅薄膜同时变形，从而在挠曲电介电薄膜上下表面产生电荷，根据薄板理论和挠曲电效应：

u_rr=u_θθ=zG    (2)

$P_z={\mathrm{\μ}}_{12}(\frac{{\∂u}_{\mathrm{rr}}}{\∂z}+\frac{{\∂u}_{\mathrm{\θ\θ}}}{\∂z})=2{\mathrm{\μ}}_{12}G---\left(3\right)$

其中：u_rr和u_θθ是挠曲电介电薄膜中的轴向和径向应变，G是硅薄膜变形时中性面的曲率，z是介电薄膜厚度方向坐标，P_z是由于挠曲电效应在挠曲电介电薄膜表面引起的电荷密度，μ₁₂是挠曲电系数。

微小变形下硅薄膜的曲率G正比于压力P，这里P是要测量的微压力，则输出电荷

正比与微压力，A_e是挠曲电介电薄膜上下表面电极的面积。这样可以通过测量输出电荷的大小就可以测得硅薄膜一面受到的压力值，实现微压力的测量。

Claims (7)

1.一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，包括固定的硅薄膜（2），其特征在于：在所述硅薄膜（2）的顶部嵌入挠曲电介电薄膜（3）后覆盖有绝缘层（4），并在硅薄膜（2）周边也设置有绝缘层（4），所述挠曲电介电薄膜（3）上下表面分别设置有上电极（5）和下电极（6），与所述挠曲电介电薄膜（3）的上电极（5）和下电极（6）分别连接有两条输出测量电荷信号的引线（7），所述硅薄膜（2）下方具有施加压力的压力通道（8）。

2.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，其特征在于：所述硅薄膜（2）和挠曲电介电薄膜（3）均置于金属外壳（1）内，引线（7）的一端从金属外壳（1）引出。

3.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，其特征在于：所述引线（7）与挠曲电介电薄膜（3）的上电极（5）和下电极（6）分别通过引线键合的方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，其特征在于：所述挠曲电介电薄膜（3）为钛酸锶钡薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，其特征在于：所述挠曲电介电薄膜（3）嵌入在硅薄膜（2）的顶部中央。

6.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，其特征在于：在所述硅薄膜（2）的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜（3）。

7.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器，其特征在于：所述硅薄膜（2）通过其周边的绝缘层（4）固定在置于硅薄膜（2）下方的约束底座（9）上，所述约束底座（9）为中空结构形成压力通道（8）。

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