【摘 要】
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压力传感器在航空航天、压力容器、汽车、油气管道和气象等领域应用极为广泛。但是在核电、冶金、化工、发动机监控等领域对压力传感器耐温性能有着较高要求,扩散硅压力传感器难以适应这些高温工作环境要求,因此高温压力传感器是当前研究的重要方向之一。
目前采用硅-蓝宝石、硅-金刚石、4H-SiC和6H-SiC等特殊材料制造的高温MEMS压力传感器,耐温性能较好,但是其制造工艺相对复杂,成本较高。为此,本文设计了一种基于金属应变电阻的差分结构高温硅压力传感器,阐述了传感器的原理、仿真理论和制造工艺,该传感器具有
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压力传感器在航空航天、压力容器、汽车、油气管道和气象等领域应用极为广泛。但是在核电、冶金、化工、发动机监控等领域对压力传感器耐温性能有着较高要求,扩散硅压力传感器难以适应这些高温工作环境要求,因此高温压力传感器是当前研究的重要方向之一。
目前采用硅-蓝宝石、硅-金刚石、4H-SiC和6H-SiC等特殊材料制造的高温MEMS压力传感器,耐温性能较好,但是其制造工艺相对复杂,成本较高。为此,本文设计了一种基于金属应变电阻的差分结构高温硅压力传感器,阐述了传感器的原理、仿真理论和制造工艺,该传感器具有MEMS工艺流程较少、成本较低,成品一致性好的特点。论文开展的主要工作包括:
①分析了MEMS高温压力传感器的国内外研究现状,阐述了各类型压力传感器的工作原理并分析其特点,确定论文的主要内容。
②研究了应变式MEMS压力传感器的工作原理,对压力敏感膜、应变电阻等进行了分析,提出一种金属应变电阻差分式MEMS压力传感器新结构,通过岛-膜结构实现应力的集中。
③对传感器结构进行了仿真模拟。分析了不同载荷下硅敏感膜的应力分布、硅岛长宽比对硅敏感膜应力分布的影响,确定了应力集中分布区域,完成了结构的优化设计并设计了仿真APP程序。
④完成了传感器版图设计和加工工艺流程设计。采取先制作应变电阻后湿法腐蚀的工艺流程,对刻蚀等关键工艺进行了分析,设计了硅片单面腐蚀夹具,避免了压力传感器的应变电阻与腐蚀液直接接触,完成了传感器芯片的加工制造。
⑤传感器封装热效应分析与性能初步测试。对封装粘接剂热应力、传感器散热等进行了仿真分析,完成了传感器芯片的初步封装和性能测试。测试结果表明,传感器应变电阻约为1640Ω,误差±1.2‰,线性良好,可在200摄氏度环境下正常工作。
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