[发明专利]一种基于微机电系统的挠曲电式微压力传感器

说明书

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：

Pl=μijkl∂ϵij∂xk---(1)]]>

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。