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可以提高低压力压阻式凤凰平台注册灵敏度的结构设计分析


发布日期:[2018-08-23]    作者:凤凰平台凤凰平台注册


本文提出了一种新型的微机电系统(MEMS)与14瓣膜联合窄波束和一个中心的老板压阻式凤凰平台注册(pmnbcb)低压测量。应力在压敏电阻和膜变形引起的使用有限元法(FEM)的计算。基于曲线拟合的方法确定了尺寸变量和力学性能之间的关系的功能,它可以提供一个传感器的几何优化方法。此外,方程中的值的变化来确定该膜的最佳尺寸。然后,为了进一步提高传感器的灵敏度,一系列的矩形槽在压敏电阻的位置了。该隔膜相比,现有的隔膜,并在相当大的增加灵敏度和非线性误差的一个相当大的减少可以通过使用该传感器实现。仿真结果表明,与pmnbcb结构传感器获得的高灵敏度为34.67 mV /千帕,0.23满刻度量程低非线性误差(FSS)为0–5 kPa压力范围。该传感器结构是MEMS压阻式凤凰平台注册的合适选择。

1 .一.导言

微型机电系统(MEMS)压阻式凤凰平台注册是目前在商业和工业应用中使用最广泛的传感器。这些传感器比其他传感器具有相当的优势,如高灵敏度、低非线性误差,成本低,效率高,体积小,可容易地制造。这些属性对压阻式凤凰平台注册在各种应用中的使用是非常重要的,如生物医学设备,微纳操作,汽车,航天技术和机器人
压阻式凤凰平台注册的重要部件是压敏电阻和隔膜。当压力荷载的隔膜,产生应力。压阻式凤凰平台注册的操作基于压阻效应,使压敏电阻位于膈顶在最高位置的最大应力传感器的灵敏度。凤凰平台注册的设计中,和新的膜片结构优化选择的主要因素是考虑到提高传感器的线性度和灵敏度。大量的研究集中在这一阶段进行了传感器的发展。例如,一个矩形中心的老板被sandmaier正方形膜片和库尔的研究。然而,这种传感器的灵敏度低于17.5毫伏/帕。另一个传感器与横梁结构放置在膜由田等人介绍。实验结果表明,非线性误差是可以接受的在0.09%满刻度量程(FSS),而灵敏度很低,在7.018毫伏/帕。结构组合梁岛余等人介绍。具有相当高的灵敏度17.795μV / V / PA,但线性误差为高,芯片还大。半岛结构呈现半岛在平板膜是由黄和张推荐。然而,18.4毫伏/帕该传感器的灵敏度很低为5 kPa的压力测量。结合控制的膜片结构的灵敏度为0.066 mV / V / 0.33% Pa,FSS的非线性是由徐等人设计的半岛岛;然而,光圈大小为3500×3500μM2。此外,一束膜双岛结构是由孟和赵开发的,该传感器具有灵敏度17.339μV / V / PA和2.559% FSS非线性;然而,传感器的尺寸为7000×7000μM2。近日,由官等人提出一个飞镖结构膜片凤凰平台注册。和显示的灵敏度为23.6 mV / kPa和非线性0.18 %的FSS [十八]。在最近的出版物中,Tran等人。提出了一种新颖的传感器芯片结构相结合的基础上的横梁,一个膜和半岛使膜更难,提高传感器的灵敏度。灵敏度为25.7 mV/kPa为0–5 kPa范围内测量[十九]。Li et al.。介绍了微型凤凰平台注册,结合14槽膜结合杆测量低压力和高的灵敏度为30.9 mV / V / PSI,0.21%的非线性FSS和3600×3600大芯片尺寸μM2。玉和黄报道的硅膜,部分被蚀刻成十字梁上的应力集中和沉积的铝层作为梁的一部分。得到的灵敏度为0.328 mV /千帕,但膜的尺寸是900×900μM2。虽然许多隔膜结构已经在最近的研究中建议,非线性和灵敏度仍然是重要的凤凰平台注册的设计。因此,基于技术的方法来提高传感器的性能的一种新结构的选择具有相当大的关注。
在本文中,一种新的结合14瓣膜压阻式凤凰平台注册的膜片结构,四窄光束中心的老板(pmnbcb)低压范围(见图1)提出了。有限元法(FEM)是用来估计的应力分布,分析不同参数的内在结构的挠度。COMSOL Multiphysics软件用于计算。建立了结构和几何优化的配方。然后,进一步提高传感器的灵敏度,一系列的矩形槽在压敏电阻的位置了。最后,为了验证所提出的方法是最佳的,推荐的传感器比其他类型的传感器。
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图1该传感器的三维结构

2。工作原理与方法

图2一个说明了压阻式凤凰平台注册的工作原理。膜的目的是施加的压力下的变形,可采用微加工技术制造的。压敏电阻器的半导体技术制造。当施加压力时,传感器的膜会变形,导致压敏电阻的弯曲应力,这转化为波动的阻力由于压阻效应。惠斯登电桥由硅压阻传感器的应变或位移测量。当电桥提供输入电压,在电阻的变化将导致基于输出电压测量输出电压的变化。
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图2(一)的压阻式凤凰平台注册的工作原理;(B)四瓣膜联合窄波束和一个中心的老板(pmnbcb)膜和惠斯通电桥
该传感器的膜显示图2B,其中的四个压敏电阻组成的惠斯登电桥,特别是两纵向压敏电阻(R1和R3)和横向(压敏电阻R2和R4),在上面。在这项研究中,电阻器在p型硅在长轴方向,制作(110)和隔膜是在n型硅设计。当节点1和4连接到一个已知的输入电压Vin,输出电压Vout节点2和3之间出现。输出电压的值取决于电阻的比值R1:R2和R3:R4。当膜片受到压力载荷,下面讲的经历:压敏电阻的平均纵向应力R1和R3是σx1,和平均横向应力σy1平均纵向应力;R2和R4是σx2,和平均横向应力σy2。压敏电阻器的电阻将根据[这些应力变化:
ΔR1/R1=ΔR3/R3=(π44/2)(σx1−σy1)ΔR2/R2=ΔR4/R4=(π44/2)(σx2−σy2)
(1)
哪里π44与p型硅压阻系数。之间的关系Vout和Vin可以作为
Vout=Vin(ΔR1/R1)−(ΔR2/R2)2+(ΔR1/R1)+(ΔR2/R2)
(2)
代入方程(一在方程()二),凤凰平台写的:
Vout=VinΔσxy1−σxy2(4/π44)+σxy1+σxy2
(3)
哪里Δσxy1和Δσxy2表示纵向和横向应力的应力之间的差异,分别为(Δσxy1=σx1−σy1和Δσxy2=σx2−σy2)。此外,压阻系数是一个掺杂浓度和温度的函数的p型硅π44(N,T),随着掺杂浓度N在温度T,表示如下:
π44(N,T)=π44(N0,300K)P(N,T)
(4)
哪里π44(N0,300K)在室温下的压阻系数。在这项研究中,所有的设计都是在室温条件下考虑(25∘C),和离子注入浓度为3×10−18厘米−3。因此,π44(N0,300K)可设置138.1×10−11PA−1压阻系数,and theP(N,T)设置一个。如方程(三),传感器的输出取决于不同的应力,所以Δσxy可作为传感器的机械结构设计的关键参数。
此外,灵敏度是衡量该凤凰平台注册性能的重要参数,确定为:
S=[Vout(pm)−Vout(p1)](pm−p1)=VFS(pm−p1)
(五)
哪里pm和p1的最大和最小负荷压力,分别;Vout(pm)和Vout(p1)是测量输出电压pm和p1,和分别;VFS=Vout(pm)−Vout(p1)是满量程输出。估计该传感器的非线性误差(NLi)也用。这是根据:
NLi=100%×[Vout(pi)−Vout(pmax)pmax(pi)]/Vout(pmax)
(6)
哪里NLi是的非线性误差pi在测试点的压力Vout(pmax)是全面的跨度(FSS)在压力最大输入电压pmax。因此,非线性可以为正或负取决于校准点。计算得到的最大值称为传感器的非线性误差,通常是在FSS了%。

3。传感器的设计

3.1。配置设计

膜片设计的凤凰平台注册的研制各阶段中最重要的一步。首先,凤凰平台考虑一个传统的方形膜片图3答:如图所示,隔膜固定在所有的边缘;压力荷载施加到膜片的顶面;和传感元件是一个扁平的膜。为了提高灵敏度和线性,对平板膜设计领域分为两层。底层是固定的,与上层是可变的。隔膜的新结构是建立在固定层和变量层去除一些材料。
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图三对压阻式凤凰平台注册的设计问题:(一传统的平膜片;()B新设计的隔膜)
设计了结构,传统的平面方形膜片的研究案例1。然后,基于四窄光束在中心前广场的老板估计为2相结合的新的传感器结构。其次,广场膜是由四瓣膜为例3更换。在过去的设计案例,在中心的老板加入了传感器芯片的空腔中图3这些隔板设计具有相同的主要尺寸:传感器的膜的特征尺寸为2900×2900μ膜的宽度为16 m,μm为膜的厚度,160μm为波束宽度10μ我对梁的厚度;半岛的宽度和长度是500μM;和中心的老板宽度为600μ·这项工作的主要目的是分析案例四设计实现基于小挠度理论条件下的最大偏转灵敏度的膜定位(膜的最大位移量应小于膜的厚度1/5)。在所有的分析中,压力从5 kPa 0–变化。
膜片的设计案例,随着中心挠度和中心挠度率(膜的厚度相比),给出了图4和表1不同的结构,即1–4例。结果表明,在1例–3产量比0–5 kPa范围案例4结构更高的偏转灵敏度的结构。最大纵向应力和横向力还表现在表2。结果表明,案例3和案例4结构具有更高的应力比的情况下,1和2的结构。力最大病例3和4是相等的。然而,比较两者的挠度和应力显示,得到更好的性能比的情况下的情况下。这些结果表明,案例的结构是理想的低压测量应用微压传感器。
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图4模拟膈肌中心挠度在5kPa。
表1压力与四设计案例中心挠度。
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表2最大纵向应力和横向应力的比较。
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3.2。数学建模

机械应力的理论计算公式,为pmnbcb结构的最大挠度是很难获得的。在这项研究中,结合有限元计算和曲线拟合的方法来确定这些方程的近似。最大挠度和典型传统的C型结构的机械应力显示的是该结构的基础上。对于一个固定边矩形光阑,产生压力,膜片的位移P可以通过求解微分方程得到的隔膜。膜片的最大位移在膜的中心并表示为[二十五]:
wmax=[12(1−υ2)47E](L2)4D−3p=K1L4D−3E−1p
(七)
哪里K1是一个系数,υ是泊松比,E是Young的模,l是膜的宽度和D是膜的高度。最大应力发生在膜边缘的中心,并强调了:
{σx=1.02(L2)2h−2p=K2a2h−2pσy=υσx
(8)
哪里K2也是一个系数
从方程(七)和(八),它是观察到的普通C型膜片的最大挠度和应力的结构参数的幂函数。该隔膜的功能形式可以同样近似幂函数结构各维度所给出的条件:
w=K1⋅Ln1⋅Dn2⋅Hn3⋅Wn4⋅Bn5⋅Tn6⋅Pn7⋅an8⋅bn9⋅cm10⋅pn11⋅En12
(9)
σ=K2⋅Lm1⋅Dm2⋅Hm3⋅Wm4⋅Bm5⋅Tm6⋅Pm7⋅am8⋅bm9⋅cm10⋅pm11
(10)
哪里σ和w是纵向最大应力和最大挠度,分别;L,D,H,W,B,T,P,a,b和C的结构尺寸,如图所示图5;Ki,nj和mj(i=1,2和j=1,2,…,11待定系数);P是操作压力;和E是杨氏模量。根据方程系数的计算(九)和(十),每个变量进行分析,而另一些人认为是恒定的。例如,当膜长度的影响l研究的价值l在实际的范围内变化,和其他变量被假定为是恒定的和任意的。证明图6、挠度和应力增加时,膜的长度增加。作为一个结果,方程(九)和(十)可改写为:
w(L)=K1L⋅Ln1
(十一)
σ(L)=K2L⋅Lm1
(12)
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图5(一等距视图和()B)的pmnbcb结构后视图。
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图6(一)应力与膜长度之间的关系;(B)偏转和膜长度之间的关系
在膜的长度变化,一系列W和σ利用有限元模拟得到的值。基于这些结果,近似幂函数σ和W可以从使用MATLAB曲线拟合®软件膜的长度之间的关系l和结构的性能提供了方程(十三)和(十四)
w(L)=2×10−16⋅L4.55
(13)
σ(L)=6×10−9⋅L2.8
(14)
确定合适的仿真结果和这些方程之间的善良,挠度和残余应力的曲线也显示在图6。残差曲线定义为实际数据和拟合的响应数据在每个预测值之间的差异。为了达到最佳的拟合优度,系数计算(R2)和残差平方和(RSS)提出了。计算结果表明:R2w方程(十三)和R2σ方程(十四)等于内分别和0.9993.。这个RSSw和RSSσ等于0.3057和1.1541,分别。这些结果表明,拟合方程和曲线匹配的仿真结果。
同样,功能关系可以证明其他变量。在获得所有的关系方程,这些功能组合方程(九)和(十)生成公式的pmnbcb结构如下:
w=K1⋅L4.55⋅D−0.392⋅H−0.831⋅W−0.363⋅B−0.041⋅T0.071⋅P0.0428⋅a−0.402⋅b0.0084⋅c0.0521⋅p⋅E−1
(15)
σ=K2⋅L2.8⋅D−0.525⋅H−0.393⋅W−0.549⋅B0.0508⋅T0.0669⋅P−0.015⋅a−0.107⋅b0.0073⋅c0.0929⋅p
(16)
凤凰平台假设方程中的参数(十五)和(十六)是l= 2900,D= 20,W= 180,H= 14,R= 500,T= 500,P= 100,B= 500,一= 600,B= 200,C= 100,P= 5 kPa andE= 160 GPa. According to the simulation results, the maximum deflection is 2.38μm,与最大应力为40 MPa。因此,系数K1和K2可以将这些值后进入方程确定(十五)和(十六)。最后,应力和挠度方程,具体到pmnbcb结构可以如下:
w=1.728×10−5⋅L4.55⋅D−0.392⋅H−0.831⋅W−0.363⋅B−0.041⋅T0.071⋅P0.0428⋅a−0.402⋅b0.0084⋅c0.0521⋅p⋅E−1
(17)
σ=2.465×10−10⋅L2.8⋅D−0.525⋅H−0.393⋅W−0.549⋅B0.0508⋅T0.0669⋅P−0.015⋅a−0.107⋅b0.0073⋅c0.0929⋅p
(18)
凤凰平台注意到,传感器的灵敏度取决于应力。因此,方程(十七)和(十八)表明膜偏转灵敏度大多依赖于膜宽度l,膜厚度D,横梁的高度H与横梁的宽度W。半岛的维度对膜偏转灵敏度比这些参数的影响较弱。另一方面,中央凸台宽度一对膜的最大挠度的影响显著。此外,作为四瓣膜半径C的增加,应力和变形量的增加,这也意味着可以提高灵敏度和线性误差也增大。

3.3。几何优化

确定了pmnbcb最优结构的几何参数,凤凰平台还研究了各参数对力学性能的影响。在这一部分中,每对几何参数的检查,同时保持其他常数。例如,对于优化H和D,价值观H和D改变,和其他变量被假定为常数。这项工作的主要目的是通过改变这些尺寸为了在小挠度理论的条件下实现最大的偏转灵敏度分析的结构的尺寸值。该传感器受到的压力范围为0–5kPa的上面要放置压敏电阻器。所提出的结构尺寸的优化,随着膜的厚度、梁的高度、中心挠度和中心挠度的百分比,显示在表3不同的尺寸H和D,即C1,C2,C3,C4,C5,C6,和。
表3压力与中心挠度为隔膜D和H
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价值观H和D的变化实现了隔膜的膜厚度小于1/5中心挠度。荷载-挠度分析表明,隔膜的C1,C2和C3收率超过20%的偏转,而C4、C5和C6满足小于允许偏差20%。因此,C4、C5和C6满足设计条件。这也表明,膜厚度D16和17之间变化μ我和梁的高度H从12–13不同μm,屈服了隔膜尺寸2900小挠度μm×2900μM.
同样,波束宽度的优化W和中心的老板宽度B进行了。在这种情况下,该膜片与固定膜厚度与16和12波束宽度窄了μm,分别。结构分析在压力为5 kPa的结构不同,偏转灵敏度即M1,M2,M3,M4,M5和M6,所表4。结果表明,在偏转减少时,梁中心老板的宽度增加。最大挠度增大到23.94%。由于受条件限制,最大挠度的分析范围内的膜厚度的20%。M3、M4、M5、M6的结构满足小于20%的要求允许偏差。另一方面,M1和M2的结构显示大于20 %的偏转。这也可以看出,波束宽度是160和170之间变化μ我和老板的中心宽度从60变μ我–70μ·基于微加工方法和压敏电阻的设计方案,梁的宽度和中心老板宽度的最终值是170μm和60μm,分别
表4压力与中心挠度为隔膜W和B
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以同样的方式,优化可以进行其他变量。在所有的获得尺寸,确定了pmnbcb结构尺寸参数。该膜片结构的整体尺寸进行了总结表5
表5该传感器的优化尺寸
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3.4。增强的灵敏度

凤凰平台的方法的主要概念是提高压敏电阻的位置应力。这个目标是通过一个应力集中区产生了(SCR)的孔和槽的应力增加。这种方法非常适合于增加的MEMS压阻传感器的灵敏度而不需要额外的复杂设备的使用。在这项研究中,凤凰平台的目标是找到提高该传感器的灵敏度的可控硅。因此,一些交流矩形槽制成的压敏电阻器。该SCR设计的几何构型所示图7。槽的长度和宽度是12μm和67μm,分别(如电阻的尺寸相同)。槽的深度为窄波束的高度相同,等于12μM模型1定义了该传感器的矩形槽。在模型2中,矩形槽位于两纵向位置(压敏电阻R1和R3)。在模型3中,矩形槽在两纵向压敏电阻的位置生成(R1和R3)和横向两压敏电阻(R2和R4)。模型4定义的情况下,矩形槽插入到两横向电阻位置(R2和R4)
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图7应力集中区域的设计(SCR)。模型1:R1,3和R2,4没有矩形槽;模型2:R1,3矩形槽和R2,4没有矩形槽;模型3:R1,3和R2,4矩形槽;模型:R1,3矩形槽和无R2,4矩形槽
图8介绍了差应力分布引起的4设计模型的压敏电阻时受到在顶膜5千帕的压力加载的数值结果。很明显,平均差应力在两纵向电阻的电阻位置的矩形槽插入明显增加。然而,平均差应力迅速下降,当槽在两横向电阻的位置了。表6也说明了模型设计的传感器的灵敏度值。有趣的是,模型2具有更高的灵敏度。当一个矩形槽插入到电阻的位置R1,3,传感器的灵敏度的增加迅速17.76%。此外,当矩形槽在四电阻的位置创建的,由22.4%个传感器的灵敏度降低。类似的结果在槽是在电阻的位置创建R2,4。因此,模型2是提高压阻式凤凰平台注册的灵敏度的最佳选择。
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图8压力5 kPa荷载下的传感器设计的压敏电阻的差应力分布。
表6四设计例差应力和敏感性的比较。
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3.5。其他传感器的结构比较

pmnbcb结构优化提出(见图9一)相比,煤层结构,半岛结构,4梁结构CBMP结构和 bmqi结构。这些膜具有相等的尺寸设计。例如,传感器膜尺寸2900μm×2900μ膜的宽度为16 m,μm的膜厚、170μ光束宽度12 mμm厚的梁图9B–D表明了这些传感器的计算性能的0–5 kPa,5 V直流输入电压的负载压力下。
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图9(一–D)其他结构膜的比较
分析的结果检验表明,该传感器的结构提供了在灵敏度方面最好的传感器性能、变形和非线性误差。比较两个高灵敏度传感器,即半岛中心膜,此传感器具有灵敏度提高了近26%和最大挠度约35%和11%下降,分别。此外,该传感器的非线性误差大约只有0.28% FSS。这些结果表明,pmnbcb结构产生更高的灵敏度比半岛中心膜和膜。在一个方形膜与四瓣膜和下老板增加膜的中心更换,大大提高了传感器的偏移和灵敏度。相比于bmqi传感器,该传感器显示膜偏转量相同;然而,对bmqi敏感性较低(24.91毫伏/千帕)的灵敏度(34.67 mV / kPa)所提出的传感器。分析还发现,相比于pmnbcb传感器,煤层气传感器灵敏度低、高的非线性误差和大位移。最后,分析表明,特殊的四束膜有一个非常大的位移可达5.3μM 5 kPa时施加的压力下,同时提出了膜的挠度仅为3.2μ另外,对bmqi灵敏度不高,在24.91毫伏/千帕,和非线性误差高达0.8%的FSS。
压阻式凤凰平台注册的设计过程中,在膜的结构和尺寸的改变可导致灵敏度的增益和力学非线性增加。该pmnbcb结构已经克服了这一缺陷,提高灵敏度和线性度。首先,四窄梁与平板膜的应力明显增加的电阻的位置,同时也降低了变形中央岛的组合。因此,传感器的灵敏度提高,其非线性误差减小。然后,广场膜转换成14瓣膜,使灵敏度和非线性误差。为了克服这种情况,中央的老板是在膜的底部添加。最后,一些交流矩形槽制成的压敏电阻,从而提高传感器的灵敏度。这些结果清楚地表明,pmnbcb结构确实是一个高性能的结构,适合应用于MEMS微型凤凰平台注册。

4.。制作工艺

体微加工技术来制造该传感器芯片从一个标准的400μ(100)厚的n型硅晶片。应用光刻,六面具是用来形成金属层和传感元件。硼注入用于模式型压敏电阻器。制造过程中的主要步骤进行图10。(1)在第一步中,热氧化法是应用于生产硅薄膜2在硅片的两面。这些氧化物层是用来分离金属与硅衬底图10答:(2)热氧化过程后,光刻和硼离子注入进行。因此,压敏电阻的p型重掺杂接触区域排列并形成在硅晶片的正面(图10B)。(3)随后,低压化学汽相淀积(LPCVD)采用硅钝化层的生长3N4压敏电阻(to protect the图10C)。(四)然后,二氧化硅薄膜2再次通过LPCVD沉积过程作为电气绝缘(图10D)。(五)之后,反应离子刻蚀(RIE)过程中使用。薄铝层沉积和图案上的传感器芯片上制造压敏电阻和电桥线路之间的电气连接领域(图10E)。(六)在下一步,KOH湿蚀刻工艺在硅片背面形成一个很深的洞(图10f)。(七)获得pmnbcb结构和SCR,RIE过程应用了产生四瓣膜,在硅片正面窄梁和矩形槽(图10g)。(8)在最后一步中,传感器芯片的底部由阳极键合过程附加7740(高硼硅玻璃图10h)
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图10(一–H)所提出的传感器芯片的主要制造工艺。

5 .2 .结论

在这项工作中,优化的线性度和灵敏度,提出了一种新的硅压阻式凤凰平台注册pmnbcb结构。有限元模拟被用来预测在压敏电阻由于膜在不同压力下的应力变形。基于曲线拟合的方法,确定了尺寸变量和力学性能之间的关系的方程,为用pmnbcb传感器结构设计指导。这些方程不同的允许值所提出的结构的最优几何待定。然后,为了进一步提高传感器的灵敏度,一系列的矩形槽在电阻器的位置了。因此,传感器的灵敏度显著增加。为了说明该传感器的优化,传感器是基于分析和比较与研究中心、CBM、半岛的评价,bmqi四梁结构。计算结果表明,该结构不仅提高了传感器的灵敏度,而且降低了非线性误差。最后,提出了基于微加工和阳极键合技术的传感器芯片的主要制造工艺。这些结果表明,pmnbcb结构适合应用于MEMS压阻式凤凰平台注册。