高溫高壓差傳感器的設(shè)計與特性研究.pdf

1、壓力傳感器是傳感器族中的重要分支,壓力傳感器的可靠性和穩(wěn)定性是傳感器技術(shù)的一個關(guān)鍵點。壓差傳感器為壓力傳感器中比較復(fù)雜的一種。高溫壓力的測量因受材料溫度限制,一直是壓力檢測領(lǐng)域需要攻克的難題。本課題致力于設(shè)計并研究一種耐高溫,精度高,大壓力,大過載,小體積的壓差傳感器,以滿足國防及民用的需求。
　　 根據(jù)耐高溫、大壓力以及大過載的技術(shù)要求,以及目前國內(nèi)外壓力敏感材料及生產(chǎn)工藝的發(fā)展現(xiàn)狀,選取SOI(silicon on insu

2、lator,絕緣體上硅)敏感芯片作為力電轉(zhuǎn)換元件。SOI敏感芯片具有“頂層單晶硅-絕緣氧化埋層-硅襯底”三層結(jié)構(gòu),能夠有效克服傳統(tǒng)硅壓阻敏感芯片在高溫下p-n節(jié)漏電流問題,適用于高溫高壓的工作環(huán)境。同時,為滿足大壓力測量小型化的要求,對SOI敏感芯片的力學(xué)特性進(jìn)行分析,確定敏感芯片的結(jié)構(gòu)采用“C”型結(jié)構(gòu)。根據(jù)壓阻效應(yīng)原理,對恒流源供電和恒壓源供電方式進(jìn)行理論分析。由于傳感器工作溫區(qū)寬,為保證高精度要求選取不受溫度變化影響的供電方式,采用

3、恒流源供電方式。
　　 根據(jù)傳感器的使用環(huán)境要求,對傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計。根據(jù)確定的敏感芯片選用方案,采用有限元分析方法對SOI敏感芯片的彈性膜片進(jìn)行實體建模,根據(jù)靈敏度、線性度及可靠性等因素,對膜片進(jìn)行模擬、優(yōu)化。根據(jù)傳感器的實際需求,采用里茲算法(Leeds algorithm),確定電阻條的長度(L)、寬度(W)、厚度(δ),完成芯片版圖設(shè)計。運用三維建模軟件對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模,分析傳感器各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理

4、,并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,實現(xiàn)傳感器的小型化并保證結(jié)構(gòu)強度。通過差動放大設(shè)計、溫度補償設(shè)計和抗電磁干擾設(shè)計等技術(shù)手段實現(xiàn)傳感器的高精度、耐高溫以及抗干擾。
　　 采用微機械加工(smart cut)工藝、焊接等工藝制作傳感器,通過工藝仿真工具對敏感芯片靜電鍵合工藝進(jìn)行仿真及優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定工藝參數(shù)。對焊接參數(shù)進(jìn)行實驗驗證,通過對焊件進(jìn)行解剖、測量,驗證焊接參數(shù)是否能夠滿足強度要求。
　　 通過實驗對傳感器的各項性能