تجزیه و تحلیل سنسورهای میکروفشار دیافراگمی (مقاله ترجمه شده)

چکیدهدر این مقاله یک حسگر فشار پیزورزیسیت 0 تا 3 کیلو وات با حساسیت و خطی بودن بالا ارائه شده است. دیافراگم ساختاری شوریکن (SSD) برای اولین بار برای حل اختلاف بین حساسیت و خطی بودن حسگرهای فشار پیزورزیست طراحی شده است.تبادل میان تنش بر روی لبه دیافراگم و انحراف دیافراگم، از طریق این طراحی SSD با استفاده از شبیه سازی عددی به دست آمد. اثرات بستر شیشه ای و فیلم های پاسیوایی بر روی عملکرد حساسیت نیز به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تجربی نشان داد که حسگر فشار فعلی دارای حساسیت 4.72 mV / kPa / V و خطی بودن 0.18٪ FSO (خروجی مقیاس کامل) در محدوده فشار 0-3 kPa بود که 3/28٪ و 50٪ بهتر از آثار قبلی بود.مقدمهاندازه گیری های فشار داخل چشمی (IOP) و فشار داخل جمجمه (ICP) برای مراقبت های درمانی بسیار مهم است.IOP بالا ممکن است گلوکوم ایجاد کند [2]. ICP بالا در آسیب مغزی می تواند منجر به مرگ و میر سریعتر شود. اندازه گیری های IOP و ICP سنتی معمولا نیاز به بیهوشی و سوراخ کردن کمر دارند، که برای نظارت طولانی مدت دقت و صلاحیت لازم را ندارند. در صورت نیاز نظارت بر IOP و ICP در زمان واقعی قابل اجرا دارای دقت بالا و حساسیت بسیار زیاد است. IOP و ICP بالغ سالم معمولا به ترتیب 1.47-2.79 kPa و 0.78-76 kPa هستند. همانند اندازه گیری فشار خون، 0.1 mmHg در محدوده فشار 20 میلیمتر Hg مورد نیاز است. این بدان معنی است که خطای غیر خطی حسگر فشار باید کمتر از 0.5٪ FSO باشد. بنابراین، با توجه به برنامه های نظارت بر IOP و ICP، حسگر فشار با حساسیت بالا و خطی بودن در 0-3 کیلو پاسکال است. این نوع حسگر نیز می تواند به طور گسترده ای در خودروها، خانه های هوشمند و کنترل فرآیند مورد استفاده قرار گیرد.متاسفانه، این یک چالش است که یک حسگر فشار با دیافراگم پیزورزیست هم دارای حساسیت بالا و هم خطی باشد. لین و همکاران حساسیت و خطی بودن حسگرهای فشار پیزورسیستی را مورد مطالعه قرار دادند و نشان دادند که یک دیافراگم سنجش نازک برای افزایش حساسیت دستگاه مفید است اما باعث خطای غیر خطی بالاتر و پسماند مغناطیسی می شود. چی و همکاران عدم تناوب فشار دستگاه با دیافراگم نازک را تحت تنشهای باقی مانده مورد بررسی قرار دادند. این بررسی نشان دهنده حساسیت و خطی بودن حسگرهای فشار پیزورسیست بود که به شدت با تنش های باقی مانده از فیلم های پاسیوایی مرتبط بود. در تحقیق ماتسودا و همکاران [10]، اثرات پیزورزیستی غیر خطی در سیلیکن با دقت مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج برای حدود 110 پیزورسیستیور، ضریب های طولی و عرضی پیزورسیستیو متفاوت بودند و ضریبهای پیزورسیستی تاثیرات مرتبه دوم و سوم داشتند، که به خطی بودن ضعیف برای حسگرهای فشار پیزورسیست منجر میشد.طراحی حسگر SSDساختار حسگر SSD به طور کامل معرفی شد. در جهت بهبود حساسیت و خطی بودن، FEM سیستماتیک (روش عنصر محدود) برای بهینه سازی توزیع استرس در ناحیه پیزورسیستی ساخته شده است. SSD مزایای منحصر به فردی را نسبت به طرح های قبلی نشان می دهد. تنش های ناشی از بسته بندی و پاسیوایی نیز به طور دقیق مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.اصل SSDدر این پروژه، یک دیافراگم ساختار شوریکن (SSD)، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، برای اولین بار پیشنهاد می شود. پرتو متقابل با طراحی شوریکن نه تنها انحراف بزرگ یعنی کاهش غیر خطی را کاهش داد، ، بلکه باعث افزایش استرس در لبه دیافراگم، پارامتر کلیدی برای بهبود حساسیت شد. پرتو شوریکن ساختار یافته، جزء کلیدی طراحی کنونی SSD است. بر اساس معادله 4، همانطور که در شکل 1c نشان داده شده است، بر روی لبه غشا، عرض پرتو درکوچک ترین حالت ممکن برای کاهش سختی خمشی محلی طراحی شده و یک حساسیت قابل قبول را در حسگر تضمین میکند، در حالی که در مرکز غشاء، عرض پرتو به اندازه کافی برای افزایش سختی خمشی محلی در جهت خطی بودن بهتر بزرگ بود.ساختجریان فرایند تولید در شکل 8 نشان داده شده است: (الف) فیلم SiO2 روی سیلیکون بلور توسط فرایند اکسیداسیون حرارتی تشکیل شده است. بعضی از فیلم هایSiO2 پس از آن توسط RIE تا 400 تا 800μm نازک شدند تا مانع از اثر کانال سازی پروتئین ایمنی یون شوند. ناحیه پیزورزیستی به وضوح مورد استفاده قرار گرفت. دوز پیزورسیستور سیلیکونی 8.5 × 113 سانتی متر بود. انرژی لانه سازی 100 کیلو وات بود؛ (ب) دوز برم 5 × 1015 سانتیمتر مربع بود. انرژی لانه سازی 100 کیلو وات بود؛ (ج) SiO2 و SixNy به طور متوالی توسط LPCVD ذخیره می شدند. در پشت ویفر، پنجره های اچینگ KOH ابتدا توسط RIE برای حذف SixNy و پس از آن فرسایش بافر HF برای حذف SiO2 شکل گرفت. دیافراگم مربع با اچینگ آنی استروپیک KOH ساخته شد.(د) فلز سازی کامل شد؛ (ر)SSD بعدا توسط RIE در مقابل دیافراگم مربع ایجاد شد؛ (ف) در نهایت، سیلیکون با استفاده از روش پیوستگی آنوید با شیشه های سوراخدار پیوند داده شد.نتایجتراشه سنسور ساخته شدهسنسور ساخته شده در شکل 9 نشان داده شده است. رنگ های مختلف نشان دهنده ارتفاع متفاوت است. اطلاعات دقیق در مورد مواد و ساختار را نیز به راحتی می توان در شکل 13 مشاهده کرد. حسگر ساخته شدهSSD دارای نقایص بصری کم و یکپارچگی ساختاری بود.نتیجه گیریدر این کار، یک SSD برای اولین بار معرفی می شود تا به طور همزمان حساسیت و خطی بودن سنسور فشار پیزورسیست را افزایش دهد. نتایج شبیه سازی نشان داد که حسگرSSD حساسیت بالای 4.67 mV / kPa / V و غیر خطی بودن کمتر از 0.1٪ را دارد. نتایج آزمایش نشان داد که سنسور دارای حساسیت بالای 4.72 mV / kPa / V و خطای غیر خطی کمتر از 0.18٪ FSO در دمای 20 درجه سانتیگراد است. در مقایسه با ساختارهای معمولی که قبلا گزارش شده است، ساختار SSD مزایای منحصر به فردی دارد، مخصوصا برای نظارت برIOP و ICP .تأثیرات استرسهای مونتاژ و فیلمهای پاسیوایی بر عملکرد دستگاه نیز مورد مطالعه قرار گرفت. به دلیل استرس مونتاژ، برای سنسورSSD، خروجی ولتاژ صفر بالاتر بود و خروجی دستگاه در طول زمان تغییر می کرد. فیلمهای پاسیوایی SiO2 / SixNy باعث افزایش استرس بر روی SSD شد و سختی دیافراگم حسگر را افزایش داد و در نتیجه سنسور حساسیت و خطی بودن را بدتر کرد.این مقاله ISI در سال 2017 در نشریه آی تریپل ای و در مجله سیستم های میکروالکترومکانیکی، توسط موسسه میکروالکترونیک منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله تجزیه و تحلیل سنسورهای میکروفشار دیافراگمی در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.