微尺度膜片及其特性在线视频

先来看微尺度的膜片

膜片是一种中间悬空

边缘固定的薄膜微结构

它的主要特性是在两边存在压差

或内部存在应力的时候发生弯曲

当膜片发生弯曲的时候

会产生位移和力

在微系统中

膜片主要是作为弹性结构

既可以用于传感器

来敏感压力和应力

比如压力传感器 麦克风

也可以用于执行器

来输出位移和力

比如微泵

微系统中的膜片

可以由单晶硅 多晶硅 氧化硅 氮化硅等硅系材料制成

也可以是玻璃 金属 聚合物等非硅系材料

可以通过表面牺牲层技术加工

也可以由体微加工技术加工

这是一个用表面牺牲层技术加工的膜片

牺牲层腐蚀掉以后

得到悬空的膜片

这是用体微加工技术制成的膜片

在基底上腐蚀出深坑

坑底就形成了一个悬空的膜片

膜片的形状通常是圆形或正方形

膜片上经常还带有通孔 波纹等微结构

膜片的厚度一般在500纳米到500微米

不能薄于500纳米

是因为太薄的悬空薄膜

无论对于表面工艺还是体微工艺

都很难加工

而且也没有实际用途

而如果厚于500微米

就不再是微尺度的结构

膜片的横向尺寸一般是10微米到10毫米

同样尺寸小于10微米的悬空薄膜很难加工

而尺寸大于10毫米的膜片

不再是微尺度的结构

前面提到

膜片的基本特性是当两边存在压差的时候

会发生弯曲

假设膜片中心最大位移

也就是弯曲挠度

小于膜片厚度的一半

这个称为厚膜或薄板模型

且膜片中不存在初应力

在这个假设下

通过静力分析

可以得到圆形膜片的弯曲和压差的关系

这是弯曲挠度

我们可以看到

膜片弯曲和压差成线性关系

系数由膜片的几何参数和材料参数决定

这个线性关系

是在厚膜和无初应力的假设下成立的

所以要得到线性的传感器性能

膜片就不能太薄

初应力要足够小

压力不能太大

而在满足这些条件的前提下

薄膜越薄 越大

则灵敏度越高

对于压阻式压力传感器

我们需要知道膜片弯曲时的应变分布

假设膜片满足厚膜模型 没有初应力

为了推导简单

我们以均匀分布的压力

作用在圆形膜片上的情形为例

并且将膜片上任意一点的应力和应变

分解为沿膜片直径方向

和沿膜片切线方向的两个分量

分别叫做径向分量和切向分量

我们通过材料力学推导

可以得到弯曲膜片上各点的径向和切向应力

根据胡克定律

得到径向和切向应变

我们可以看到

膜片上任何一点的应变都与压力成线性关系

但系数与该点到膜片中心的径向距离有关

因此对于均匀作用在膜片上的压力来说

我们可以在应变最大的地方进行检测

这样灵敏度最高

那么应变最大的地方在哪儿呢

这是中心径向距离的应变曲线

红色是切向应变

蓝色是径向应变

可以看到在膜片中心

径向应变和切向应变都为正的最大值

而在膜片边缘

切向应变为0

径向应变为负的最大值

在根号三分之一的地方

径向应变为0

这就是圆形膜片的应变分布

方形膜片的应变分析较为复杂

但应变分布的特点和圆形膜片相同

也是在膜片边缘

切向应变为0 径向应变为负的最大值

在膜片中心

切向应变和径向应变相等

都为正的最大值

了解了膜片上的应变分布

我们就可以选择合适的位置来布置应变器

对压力进行检测