文摘

本研究评估的灵敏度微机电系统(MEMS)电容与双层悬臂弯曲应变传感器设计用于满足脊柱融合监控的要求。传感器由两个平行的悬臂结构衬底板块构成电极,连接到锚由二氧化硅组成的。传感器可以监测弯曲应变值从0到1000不等με。为了评估传感器的灵敏度,参数研究是由不同电极间距、锚固长度、和电介质覆盖在电极之间。名义上的电容式压力传感器灵敏度为各种应用程序从255 aF /με0.0225 pF /με。观察增加敏感性降低电极间距和锚长度和增加了介质覆盖,导致0.2513 pF /灵敏度最高的价值με。也观察到介电常数显著影响传感器的灵敏度的行为。

1。介绍

基于MEMS电容式传感器已广泛应用,各种各样的应用程序,包括测量压力、气体流量、力、位置、位移、化工、真空、触觉,RH监控。相比,基于压电传感器、电容式传感器有几个优势,如高灵敏度,低功耗,更好的温度性能,减少灵敏度漂移(1]。通过改变电容方程中的变量电容传感器的输出可以被操纵的。

几种类型的电容式传感器应变监测应用程序开发。电容式压力传感器对汽车轮胎压力监测、梳状驱动结构,是由松崎和Todoroki2]。传感器是位于柔性衬底上。当受到压力,梳状驱动电极之间的差距增加引起的电容值的差异。他们观察到传感器的灵敏度随设计和获得的最高灵敏度值在45.71 aF /με。Suster et al。3]也开发了一种MEMS电容式压力传感器为转轴与梳状驱动器结构表面应变监测。应变诱导时,电极重叠的面积显著改变导致电容传感器的输出的变化。这在255 aF /传感器表现出更高的灵敏度με。Aebersold et al。4)在工作中研究了MEMS电容式弯曲应变传感器对脊柱融合监控。他们开发了一个传感器有一个梳状驱动结构,由重掺杂硅电极。

发生弯曲时,电极的差距和重叠区域发生了变化,导致阅读电容的变化。这种传感器的灵敏度为2.94 fF /με应变值在0到1000之间με。类似地,林等。5)开发了一种MEMS电容式弯曲应变传感器对脊柱融合监控但有不同的传感器结构。传感器与两层有一个悬臂梁结构。弯曲应变诱导时,电极之间的差距变化,导致电容改变弯曲应变的阅读。传感器灵敏度最高0.02 pF /展出με0到1000之间με。

比较研究不同的电容式压力传感器的灵敏度值一直在总结表1。梳状驱动器结构可以用来操纵的差距,还有重叠区域的电极引起电容的变化。它也是最常用的传感器结构。然而,林设计的悬臂梁结构等。5]显示最高灵敏度相比,梳状驱动结构。在这项研究中,利用了悬臂梁结构设计因其更高的灵敏度。

这项工作的主要目的是评估MEMS电容式弯曲应变传感器的灵敏度,设计使用悬臂梁结构。方程(1)表明,电容输出可以通过减少电极间距增加,增加电极的重叠区域或通过使用高介电系数材料在电极之间。对于任何传感器,这些参数是重要的重要性和高度依赖于传感器的结构设计。悬臂梁的结构设计、驱动由于弯曲力,这些参数可用于增加电容输出。然而,这些参数对弯曲应变传感器的敏感性是不成立的。因此本研究以确定这些参数之间的关系进行灵敏度的传感器设计。目前的敏感性增强研究是通过不同的三个参数,即电极间距、锚固长度,介电材料。通过改变这些参数时,电容传感器的输出及其灵敏度弯曲应变发展可以检查。使用有限元软件模拟,CoventorWare 2008,也进行了比较,结果与分析的输出。

2。传感器设计

传感器是为了满足脊柱融合监控的要求。脊柱融合术是一个医疗过程,其中腰脊椎动物引起疼痛的病人需要后续固定钛棒,以促进愈合(6,7]。设计的传感器将位于钛杆固定和监视器在愈合过程中弯曲应变的变化。Kanayama et al。8)在工作中得出的结论是,弯曲应变主要由钛杆加载预期。吉布森(9)表明,杆的最大应变值近1000人με。为了能够安装在杆和其他无线电路,Aebersold et al。4和林等。5]建议的最大尺寸传感器在10毫米×2毫米(宽×长度)。表2总结脊柱融合的传感器监测的要求。

在这部作品中,传感器设计有三个层次。底部的底物和表层是由重掺杂硅电极更好的导电性。这些电极之间的差距确定使用锚由二氧化硅。这种差距是不同研究电容输出和敏感性。锚长度也不同,因为它会影响弯曲发生时的电极。最后,介电材料的影响有三个不同的比例配置也决定。传感器设计2毫米的宽度。传感器的原理图如图1显示所使用的三个参数。

3所示。理论

传感器驱动可以建模为一个简单的悬臂梁弯曲,它有一个固定端和自由端暂停在另一边,如图2。

两个电极的电容板可以写成 的关系可以确定一个简单梁弯曲的梁弯曲理论和挠曲公式(10]

时刻在是由 在哪里波束宽度和吗均匀分布的压力负荷。斜率,和偏转,沿着设在了

传感器是模仿简单的悬臂梁。梁的一端固定,弯曲发生在自由端。在弯曲过程中,较低的电极传感器也随着悬臂梁弯曲。同时,传感器的上电极固定在一点来将有一个切线偏转(11]。的上电极传感器会弯曲切形式开始点。机制将增加电极的间隙发生弯曲。传感器的偏转模型如图3。

切线点挠度方程沿着设在可以写成 在哪里是一个常数,可以获得使用边界条件(5,11]。当传感器模型弯曲,切挠曲线点等于偏转的底层传感器,,一个

使用(4)和(5),不断可以获得的 然后替换成(5),给了我们

因此,不同的偏转或切挠曲线点之间的差距,和较低的层的梁传感器模型沿着设在可以写成并且可以由以下方程:

是集成的和获得的平均价值的差距轴相对应的压力负载,应用,有

解决(2),(3)和(11)给(12)用于计算的平均差距电极传感器。的值和依赖于分析研究敏感性增强。表3给出了典型值用于分析。

的总电容电极间距和锚长度分析,是由

对于电介质覆盖分析,总电容是由

4所示。结果和讨论

使用MEMS仿真进行了常规有限元软件,CoventorWare 2008。模拟的边界条件应用完全相似分析方法,因此预计类似的弯曲机制,用最小的错误和不确定性。图4显示了边界条件应用于有限元研究。传感器被放置在悬臂梁固定一端,和一个分布式负载应用均匀悬臂梁的底部表面。

4.1。电极间距(锚厚度)

研究了不同电极间距的影响。基于传感器的设计,三个不同的间隙值,1.5μ米,3μ5米,μ米,被选中。锚长度在1毫米保持常数。图5显示了电极间距的结果比较分析研究。

1.5的电极间距μm证明更高的输出电容,紧随其后的是3μ米和5μ米的差距。表4显示了结果的敏感性,名义上的电容,平均和最大百分比计算和模拟结果之间的区别。

1.5最低的差距μm展品0到1000之间的敏感性最高με,紧随其后的是3μ米和5μm。敏感性缺口时增加了129%减少到原来的长度的一半。从图6可以推断,电容的变化意义重大当负载应用菌株0到200之间με。在这个区域传感器应变的变化非常敏感。敏感性的变化可以观察到不同区域的应变图6。

4.2。锚长度

本研究的另一个参数,它被认为是是锚的长度。锚的长度决定了整体电极间距打开时发生弯曲。不再是锚,更高的名义电容,但较长的锚给较低的电容发生弯曲时下降。三种不同的锚长度,0.5毫米,1.0毫米,1.5毫米,被用来研究电容传感器的输出。的初始间隙电极被设置为1.5μm。图7显示了锚长度结果时发生弯曲。

锚的结果与1.5毫米长度显示最高电容输出。这可以归因于较大的介电区域。介质区域的介电系数3.9显示增加电容输出。尽管如此,1.5毫米锚长度显示低灵敏度相比其他人。然而,0.5毫米锚长度电容输出最低但显示最高的灵敏度。表5展示了各种锚长度分析结果。

传感器的敏感性降低和增加锚长度。当锚的长度小,移动传感器的面积增加。这导致增加电极间距开在弯曲,导致更高的电容也下降,传感器的灵敏度。这些结果与电容输出类似于通过不同电极间距。电容的变化当应变的增加而减少;然而传感器显示更大的电容变化量的应变范围0 - 200με。图8显示了不同应变传感器的灵敏度值。

4.3。电介质覆盖

介电材料的研究覆盖了33%、66%、和100%的电极面积进行。100%的覆盖范围给最高的电容输出。33%和66%覆盖区域附近的开幕式结束的传感器。而弯曲,传感器就会结束最高差距变化,因此通过定位介电材料在这个位置,可以将电容的变化量更高。锚长度是1毫米的电极间隙1.5μ米被用于这项研究。图9显示结果为每个介质覆盖用于这项研究。

介质的存在导致显著增加电容的输出。在弯曲过程中,电容输出从75%下降到82%,总电容变化0到100之间με。大部分的电容变化发生在这一地区。100年和1000年之间的电容输出με介质覆盖的66%和33%,几乎是相同的。表6总结了介质覆盖研究的结果。

介质的敏感性和电容输出增加覆盖范围。观察到,减少介电材料或定位在开幕式结束传感器梁不提高传感器的灵敏度。图10显示了所有三个介质的敏感性报道,而在不同的应变范围。

4.4。仿真分析讨论

进行模拟研究涉及三个参数以研究弯曲应变传感器响应的输出电容和敏感性。图11显示的名义电容传感器在不同的差距和不同锚固长度。从这些结果很明显,通过减少电极间距,增加锚长度和增加介质覆盖增加反过来会导致电容输出。

在减少电极间距,增加非线性名义观察电容。代表的一个重要因素的差距电容传感器的输出。然而,一个非常小的差距会导致电极接触静电力应用是否足够强大。因此,对于一个1.5μ电极间距,电容电压,可以申请最高的阅读。更高的电压会导致传感器偏转可以改变电容阅读之前弯曲应变的应用。图12说明了传感器和电容变化的挠度由于静电力。的顶部发生偏转电极传感器,如图13。顶层的偏转传感器下降时电压下降。0.1 V的电压,电容值非常高117.305 pF观察结果偏差的减少差距。然而,当电压,电容的变化量很低的电压,电容的变化几乎可以忽略不计。

关于锚长度、线性秩序的名义电容的变化。锚主要由二氧化硅、介电材料的系数为3.9。名义上的电容,增加锚杆的长度也会增加电极之间的介电材料覆盖。所以,名义电容会增加对锚长度都以同样的方式分析和电介质覆盖分析。

在悬臂梁弯曲,电容输出会遵循非线性模式菌株。同样,电容下降是不同电极间距的其他变化,锚长度和总介质覆盖的活动区域。电容下降是电极间距的变化的结果的可动部分传感器。当弯曲增加,缺口也增加,因为电容的产出下降。因此相对应的电容改变弯曲应变可以评估使用灵敏度值。传感器的敏感性增加电极间距时降低。在弯曲过程中,电极之间的差距增加。最初的电极间距小的弯曲会显著增加,相比有更大的初始电极间距相同的弯曲应变值。更大比例的差距增加导致增加电容也下降,传感器的灵敏度。这是进一步显示在图14显示的平均价值差距比例增加对不同电极间隙。

的锚长度分析,一个完全不同的灵敏度性能观察。传感器的敏感性降低锚长度增加时,即使名义电容大锚长度越长。这电容下降可以归因于传感器的可动部分。尽管长锚长度给更高的电容输出,传感器的可动部分是短。更短的可动电极导致较小的电容下降时发生弯曲,从而减少了传感器的灵敏度。图15显示了电容的平均百分比跌幅比较输出的可动部分传感器电极对不同锚固长度。锚长度0.5毫米显示电容的平均百分比跌幅更大。这可以解释由于弯曲发生时可动部分的长度越长。

最后的灵敏度分析是电介质覆盖。介质覆盖的大部分将增加电容传感器的输出和敏感。100%的电介质覆盖率显示最大灵敏度。然而,33%和66%的电介质覆盖并没有像预期的那样增加灵敏度。在弯曲过程中,电极间距的极端自由端电极对锚是减少到最低。因此,通过将介电材料介电常数为3.9,在自由端电极和33%或66%,电容下降弯曲发生时将会更高。然而,结果显示不同的行为。从这项研究中,发现33%和66%的敏感性没有增加由于锚电容。锚是由二氧化硅贡献46.042 pF的电容。这个电容值与弯曲应变增量因为没有差距并没有改变发生在这个区域。 Thus, the total capacitance which includes the anchor capacitance reduced the total capacitance drop of the sensor and also the sensitivity of 33% and 66% dielectric coverage sensor. However, the average percentage capacitance drop for 33% and 66% which occurred at the movable part of the electrode was higher when compared to 100% coverage. Figure16显示了平均电容下降百分比比较所有介质的可动电极区域覆盖。

33%的电介质覆盖率显示更高的电容下降,其次是66%和100%覆盖率的可动电极传感器。这表明,如果锚材料代替介电常数较低,它可以减少锚的电容;从而可以优化的敏感性33%的覆盖率和值高于100%的电介质覆盖率是可以实现的。

传感器的灵敏度的整体性能表明,传感器是非常敏感的弯曲应变发展的早期阶段。电极间距和锚长度分析研究表明,传感器有较高的灵敏度值介于0和200年με,进一步提高灵敏度保持相同的应变超过200με。另一方面,电介质覆盖分析研究表明,0到100之间的敏感性最高με。这种敏感性能可以归因于不同比例差距时发生弯曲。初弯曲过程中,增加的比例差距是更高的,允许一个更高的电容下降。后来随着弯曲进一步增加,增加的比例差距是减少导致降低电容和低敏感性下降。这方面的比例差距与弯曲应变增量可以观察到所有的例图17。

从图很明显,空气是增量的33%和66%差距较小,因为它是附近的锚了只有一个小孔。介质的初始间隙面积为33%,66%,100%,可以认为是0μm。因此,在开始弯曲过程中,增加的比例差距是导致更高的灵敏度很高。正是因为这一原因0到100之间的敏感性με非常高的介质覆盖传感器。

图18显示了应变分布的轮廓传感器时附加到梁加载。压力显示,最高价值的锚。很明显的图在弯曲过程中应力集中在这个地区。观察被林等获得。(5]之前发现的最大应变硅骨折是1800左右με。因此进一步加载锚区域的传感器由于骨折会失败。

5。结论

模拟研究进行了了解MEMS电容式弯曲应变传感器基于双层悬臂设计弯曲应变的行为及其对应用程序的性能。电容输出灵敏度性能评估通过操纵电极差距,锚长度和介质进行了报道和验证使用的分析方法和结果表明,名义电容和传感器的灵敏度增加时,电极之间的差距减少。此外,它被发现,传感器的灵敏度增加锚长度短的比例差距在弯曲过程中打开。100%的电介质覆盖使用二氧化硅材料证明最高的灵敏度。同时介质覆盖33%和66%的敏感性可以优化使用介质材料介电常数比传感器低锚。整体优化传感器性能表明,传感器可以通过减少电极间距,减少锚长度和介电材料的应用。得出的结论是,一个很小的电压volt是对电容传感器的阅读更好,因为这有助于克服静电力发达。然而,尽管任何传感器设计,制造能力等因素的限制和静电电荷增加传感器性能也应该被考虑。

命名法

:	相对介电常数的自由空间
:	介电常数
:	重叠区域的电极
:	差距的电极
:	的最大正应力的成员
:	合成内部的时刻
:	横截面的惯性矩计算中性轴
:	垂直于中性轴最远的点
:	正应力的成员
:	杨氏模量
:	应变
:	总电容
:	电容的锚
:	电容的气隙
:	多层介质电容
:	电容的空气区域(介质)
:	电容的介电区域
:	电容变化的两点之间的压力
:	电容在0μɛ
:	电容在1000μɛ
:	应变变化两个点
:	锚区域
:	气隙区域(没有介质)
:	气隙区域(介质)
:	电介质区域
:	初始差距(介电区域)
:	介质的差距
:	电极孔的平均差距在弯曲(无介质)
:	电极孔的平均差距在弯曲(介质)
:	电极孔的平均差距在弯曲电介质区域。

确认

研究型大学支持的工作是格兰特,马来西亚理科大学,在1001年授予/ PMEKANIK / 814099和研究生研究基金,在格兰特308 /每年415401。作者还表达他们的感谢提供的设施和机会协作微电子设计卓越中心子结构(CEDEC)在进行这个项目。