دانلود رایگان ترجمه مقاله تحلیل سنسورهای میکرو فشار (آی تریپل ای ۲۰۱۷)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

.Cطراحی هندسی SSD
بر اساس معادله ۳، ضخامت اولیه غشاء سیلیکونی H 19 میکرومتر طراحی شده است. از یک طرف، غشاء را می توان با استفاده از KOH با عملکرد بالا ساخت. از سوی دیگر، غشا میتواند به وسیله شوریکن برای توزیع تنش مناسب ساخته شود.
نتایج شبیه سازی FEM برای حسگر فشار دیافراگم ۱۹μm در شکل ۲ نشان داده شده است. حداکثر Sx_y تنها حدود ۶ مگاپاسکال بود. هنگامی که فاصله از مرکز پرتو افزایش یافته است، استرس Sx_y از ۵٫۸۶ به ۵٫۷۲ مگاپاسکال کاهش یافته است، که حدود ۲٫۴٪ از ۵٫۸۶ مگاپاسگال است.
از شکل ۲d می توان دید که هرچند خطی بودن حسگر خوب بود (۰٫۰۷٪ FSO) حساسیت بسیار بد بود. این را می توان به طور مستقیم از شکل ۲c مشاهده کرد که حساسیت حدود ۱٫۳۳ mV / kPa / V بود، که برای استفاده بیش از حد کوچک بود. بر اساس نظريه غير خطي بودن، انحراف بزرگ و توزيع تنش نشان داده شده در شکل ۲b، غير خطي بودن عمدتا توسط عدم تقارن استرس منطقه اي پيزورسيست ايجاد شده است، اما انحراف بزرگ غشاء ايجاد نمي شود.

بر اساس اثر پیزورسیست (معادله ۱)، تنش مربوط Sx_y باید تقریبا ۲۰ مگاپاسکال باشد تا فاز ۷۰ mV FSO تحت فشار هوا ۳ kPa و منبع تغذیه ۵V DC تامین شود. این را می توان از شبیه سازی ANSYS بدست آورد. استرس زیاد Sx_y تقریبا روی لبه دیافراگم که در آن پیزورسیستورها قرار می گیرند، قرار می گرفت. محدودیت پیکربندی پیزورسیستور در [۱۱]، عرض پرتو M1 در لبه دیافراگم ۲۲۰ میکرومتر طراحی شده است. H5 و نسبت، با معادله ۵ و ۶ تعیین شدند. با توجه به L = 1900 μm، SH و نسبت تنها دو متغیر در شکل ۱ بودند.

تنها باید SH و نسبت طراحی می شدند. و ابتدا SH باید طراحی می شد. برای رسیدن به ضخامت مناسب شوریکن SH ما نسبت را (معادله ۶) = ۰ فرض کردیم. شبیه سازی حساسیت و خطی بودن با ضخامت های متفاوت شوریکن از ۲ تا ۱۸ میکرومتر در شکل ۳ نشان داده شده است. دیده می شود که اگر ضخامت شوریکن افزایش یابد، حساسیت و خطای غیر خطی در همان زمان افزایش یافت. نهایتا ضخامت شوریکن ۱۶ میکرو متر برای تولید خروجی مقیاس تقریبا ۷۰ mV طراحی شد. اما خطای غیر خطی حدود ۰٫۷٪ FSO بود و هنوز هم رضایت بخش نبود.

نسبت یکی از مهمترین پارامترهای ساختار SSD بود. بهینه سازی عملکرد حسگر با نسبت ۲۰ / ۲۰-۱۰ / ۲۰ در شکل ۴ نشان داده شده است. شکل ۴a نشان داد که هنگامی که نسبت افزایش یابد، Sx_y در لبه پرتو به تدریج کاهش می یابد. در لبه پرتو، استرس Sx_y به طور ناگهانی افزایش می یابد جایی که پیزورسیست ها نباید قرار داده شوند. مسیر استرس در شکل ۴b در دو ضلع از پیزورسیستورهای عرضی، موازی با لبه SSD قرار گرفته است. به دور از مرکز پرتو (حدود ۱۰۰ میکرومتر) که در شکل ۴b نشان داده شده است، فشار Sx_y سریعا کاهش می یابد، جایی که جفت پیزورسیستورها ها نباید قرار گیرد، زیرا هر دو به خطا و حساسیت دستگاه آسیب می رسانند. علاوه بر این، شکل ۴b نشان داد که استرس کلی کاهش یافته و توزیع استرس با افزایش نسبت تغییر کرده است. این رابطه در نهایت ۳/۲۰ تعیین شد. شبیه سازی نشان داد که حسگر SSD حساسیت بالای ۴٫۶۷ mV / kPa / V و غیرخطی بودن کمتر از ۰٫۱٪ FSO. دارد. بهینه سازی نسبت، باعث کاهش غیرخطی بودن نسبت به FSO 0.7٪ تا ۰٫۱٪ FSO شد.
سطح نازک SSD 3 میکرون ضخامت داشت. نتایج شبیه سازی FEM برای حسگر فشار دیافراگم ۳ μm در شکل ۵ نشان داده شده است. هنگامی که فاصله از مرکز دیافراگم افزایش می یابد، استرس Sx_y افزایش می یابد، به خصوص با سرعت بیشتری از ۸۰۰ μm . هنگامی که فاصله از مرکز پرتو افزایش یافت، استرس Sx_y به سمت بالا و پایین شناور شد، اما هنوز در محدوده ۷۰-۷۱٫۵ مگاپاسکال بود که حدود ۲٫۱٪ از ۷۱٫۵ مگاپاسکال است. از شکل ۵c می توان دید که اگرچه حساسیت حسگر بسیار بالا است (حدود ۱۶٫۷ mV / kPa / V)، اما خطی بودن بسیار بد است. این را می توان به طور مستقیم از شکل ۵d مشاهده کرد که خطای غیر خطی حدود ۱۸٪ FSO بود، که برای کاربردهای حسگر غیر قابل قبول بود. بر اساس نظریه انحراف بزرگ غیرخطی و توزیع تقریبا یکنواخت استرس که در شکل۵b نشان داده شده، خطی بودن بد به طور عمده بوسیله انحراف بزرگ، و عدم تقارن استرس ناحیه پیزورسیستی ایجاد شد.

به طور کلی، برای فیلم های با ضخامت ۳ میکرون، هر چند حساسیت رضایت بخش بود (۱۶٫۷ mV / kPa / V) خطای غیر خطی بد بود (۱۸٪ FSO). برای فیلمهای با ضخیم ۱۹ میکرون، اگر چه خطای غیر خطی مناسب بود (۰٫۰۷٪ FSO)، حساسیت ضعیف بود (۱٫۳۳ mV / kPa / V). همانطور برای سنسور پیشنهاد SSD، حساسیت ۴٫۶۷ mV / kPa / V بود و خطای غیر خطی کمتر از ۰٫۱٪ FSO بود. اینگونه حساسیت بالا و خطی بودن به طور همزمان به دست آمد.

D. تجزیه و تحلیل FEM برای کاهش فشار استرس تحت تاثیر شیشه ی آب بندی
تراشه های حساس فشار را می توان تنها پس از اتصال به پایه های مختلف با چسب بسته بندی، استفاده کرد. سخت شدن چسب می تواند به افزایش قدرت اتصال بین تراشه های سنسور و پایه ها کمک کند. با این وجود، فشردگی چسب نیز حجم چسب را تغییر داده و در نتیجه باعث ایجاد استرس مخاطی می شود. استرس بسته بندی را می توان به غشاء حساس گسترش داد و آن را تغییر شکل داد. بی ثباتی زمان و دمای چسب می تواند عملکرد سنسور را تحت تأثیر قرار دهد. همانطور که برای ویژگی های استاتیک، استرس غشای حساس را بدون فشار بارگذاری تغییر شکل داد و بنابراین ولتاژ خروجی صفر حسگر را افزایش داد.
مهم نیست که چه تعداد عوامل بر تراشه تاثیر گذاشته اند ، استرس بسته بندی باید بر روی غشای حساس توسط بدنه ی تراشه پخش شود. بنابراين، تنوع بسته بندي ويژگي هاي تراشه سنسور مهم بود. به راحتی می توان دانست که قابلیت گسترش استرس ضعیف برای عملکرد بهتر سنسور مورد نیاز است.
توانایی انتشار استرس سنسور برای سنسورهای SSD با شیشه ضعیف تر از سنسورهای بدون شیشه بود. اما عملکرد سنسور برای سنسورهای SSD با شیشه بهتر بود. برای روند سخت شدن چسب، در ابتدا چسب بین تراشه های سنسور و پایه ها قرار داده شد و فشار آن صفر بود، سپس چسب اصلاح شد و حجم آن تغییر یافت، در نهایت تنش بین پایین سنسور و چسب ایجاد شد. در مورد پدیده عدم انطباق حرارتی، در ابتدا، غشای نازک توسط LPCVD در دمای بالا قرار گرفت و استرس صفر بود، سپس درجه حرارت به دمای اتاق کاهش یافت و حجم غشا با توجه به عدم هماهنگی حرارتی تغییر یافت، و در نهایت باعث ایجاد استرس شد. تنش بسته بندی و تنش نامطلوب حرارتی هر دو استرس دو جانبه صفحه بودند. تا حدودی، استفاده از تنش نامناسب حرارتی برای شبیه سازی استرس بسته بندی منطقی بود.

شکل ۶ اثرات ضد انعطاف پذیری شیشه را بررسی می کند. در شکل ۶a و ۶c استرس در نقاط با تغییرات ناگهانی هندسه بالا بود و توزیع استرس مشابه بود. با توجه به تنش بسته بندی مشابه، تنش غشایی با شیشه آب بندی بسیار کمتر از آن بدون شیشه بود. با توجه به اثرات ضد انعطاف پذیری شیشه، استرس به میزان ۶۲٫۵٪ کاهش یافت که این بدان معنی است که خروجی صفر تا ۵/۶۲٪ کاهش می یابد. خروجی نقطه صفر محدودیت-هایی را برای برنامه های کم قدرت اعمال می کند. بنابراین، سنسور با شیشه باند شده به راحتی تحت تأثیر تنش بسته بندی قرار نگرفت و عملکرد بهتری داشت.

E . تجزیه و تحلیل FEM برای اثر فیلم های پاسیوایی
تراشه های سنسور فشار باید توسط فیلم های پاسیوایی پوشش داده شوند. این فیلم ها برای جلوگیری از ورود بخار آب و ناخالصی ها و آلودگی تراشه ها استفاده می شود. آنها همچنین به عنوان لایه بین فلزی دی الکتریک کار می کنند تا خواص الکتریکی پل ویتستون را تامین کنند. با این حال، اثرات بدی نیز ایجاد شد [۹]. فیلم های پاسیوایی توسط LPCVD رسوب بخار شیمیایی کم فشار ساخته شدند. هنگامی که فیلم ها در دماي ۷۲۰ درجه سانتیگراد قرار می گیرند، استرس به ۰ می رسد. اما زمانی که درجه حرارت به ۲۵ درجه سانتی گراد کاهش یافت، استرس بواسطه تفاوت ضرایب انبساط حرارتی بستر سیلیکون و فیلم های پاسیوایی ایجاد می شود