溅射式压力传感器结构及工作原理

溅射式压力传感器结构及工作原理

电子技术发展日新月异,智能手机、平板电脑、消费电子产品等不断更新迭代。智能设备需要更高的性能和功能,要求传感器具有更高的灵敏度,并能够在恶劣环境中使用。当压力或温度超过一定范围时(如100℃),传感器会产生报警。压力值越大其信号越微弱,这是因为压力传感器产生信号的能量来源于压电陶瓷、电子泵和薄膜电极。本文将介绍一种基于电荷泵和薄膜电极的传感技术,利用离子溅射法将压电陶瓷(HF)水溶液溅射到半导体电荷中,通过其表面效应可以实现对固体材料中的压力检测。如图1所示为溅射式压力传感器结构及工作原理。

溅射式压力传感器结构及工作原理

1离子溅射

离子溅射法是在 HF表面上进行处理,溅射压电陶瓷时发生的化学反应(如图2所示),可以产生一个电压。离子作用于材料上(压电陶瓷表面)发生压电化反应:溅射 HF溶液时,形成电荷并由溅射的压电荷泵提供动力。当离子从溶液中转移到固态材料上时,其膜厚度与 HF压电性质有关。等离子体通过溅射环形成对界面电场的高电压,从而实现对压电陶瓷的传感。离子溅射后,薄膜会在其表面形成一层薄层。膜的薄程度和导电性决定了薄膜的界面行为以及半导体与 HF之间距离。

2电荷泵

通常,这种电荷泵由压电铝(HF)制成,并以压电陶瓷(HF)作为电极,压电玻璃(IGT)作为泵盖。当 HF被溅射到压电硅水溶液中时,其界面出现薄膜效应,其表面将与 HF表面相匹配,从而实现传感,其传感效果与压力值有关。在压力传感器中,膜片由电荷泵与薄膜电极组成,膜片组件和金属框架组成的框架支撑。这两个部分之间的间隙称为电荷间隙(称为 IGT间隙),可通过薄膜来控制。例如压力传感器中使用的 IGT间隙结构如图3所示。当流体流过压电线(PN线)时与 PN端子相连,由 PNTs产生正向压力信号。

3薄膜电极

由于薄膜电极有许多优点,因此用于检测的元件非常多,如图3所示的四种不同类型,分别用于测温和压力、电子泵和温度传感器。薄膜电极和电子泵均有各自的优势,但是如果将二者结合使用,可以实现更好的结果。电子泵是将电子泵与薄膜电极结合在一起用于测量压力的一种方法。电子泵通过电极将电子转移到薄膜电极上来达到测量压力的目的。半导体电荷为固体表面带来了“表面效应”,这种效应使其具有与水相同的导电能力。这使得它能够检测到被测物体中的细微运动。对于电子泵系统而言,该电压传感器通常是基于机械连接原理产生、并使用多个电极供电实现的(图4 B),而薄膜电极由于其特殊的电子连接方式(例如电容传感器形式)以及电子连接网络而在其他场合中广泛使用。