多功能壓力傳感器的研究.pdf

1、本論文的研究工作是圍繞著提高多功能壓力傳感器的工作溫度與可靠性兩方面展開(kāi)的。主要對(duì)多晶硅高溫壓力－溫度多功能傳感器、多晶硅多功能壓力傳感器的自檢測(cè)技術(shù)及大量程壓力傳感器的自檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。論文所取得的成果不但可以促進(jìn)固態(tài)傳感器向多功能化、智能化方向發(fā)展，而且可滿足國(guó)防、航天、石油化工等領(lǐng)域的高溫壓力測(cè)量或高可靠測(cè)量的特殊需求。論文工作得到國(guó)家“863”及總裝預(yù)研項(xiàng)目資助。
　　首先，以單晶硅、多晶硅壓阻理論以及彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ)

2、，利用有限元方法模擬分析了壓阻式壓力傳感器壓力敏感膜片的應(yīng)力分布及其對(duì)傳感器性能的影響，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)并制作了集成高溫壓力-溫度傳感器。傳感器的工作溫度達(dá)到300℃以上。
　　在集成高溫壓力-溫度傳感器中集成一個(gè) MEMS自檢測(cè)單元，此自檢測(cè)單元采用熱氣驅(qū)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)壓力自檢測(cè)功能。對(duì)此自檢測(cè)單元進(jìn)行混合建模與仿真。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出絕壓腔內(nèi)的平均溫度分布、自檢測(cè)加熱功率與密封腔內(nèi)氣體平均溫度關(guān)系等曲線?；诖藢?duì)多功能

3、壓力傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)研究了光刻剝離、靜電鍵合等傳感器制備中的關(guān)鍵技術(shù)，最終制作出量程為0.6MPa的多晶硅熱氣動(dòng)式溫度－壓力多功能傳感器。
　　鑒于熱氣驅(qū)動(dòng)能力有限，本文對(duì)大量程壓力傳感器的相變式自檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)并制作出三層疊層結(jié)構(gòu)的相變式單晶硅自檢測(cè)壓力傳感器，縮小了傳感器的芯片尺寸，提高了自檢測(cè)加熱效率。該自檢測(cè)方法已通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到原理性驗(yàn)證，研制出量程為6MPa的單晶硅相變式熱氣動(dòng)壓力傳感器樣

4、品。
　　對(duì)所研制的兩種類型的傳感器建立測(cè)試/標(biāo)定系統(tǒng)，進(jìn)行溫度與壓力敏感特性及自檢測(cè)功能的測(cè)試與標(biāo)定，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。測(cè)試結(jié)果表明：采用鉑、鋁、鎳金屬薄膜電阻作為溫敏元件穩(wěn)定可靠。鉑薄膜電阻在比較寬的溫度范圍內(nèi)有較好的線性、穩(wěn)定性，鋁膜熱敏電阻具有良好的線性，鎳膜熱敏電阻穩(wěn)定性極高。熱氣驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)對(duì)傳感器的壓力敏感性能影響極小，自檢測(cè)輸出與驅(qū)動(dòng)功率在一定范圍內(nèi)成線性，壓力傳感器綜合精度優(yōu)于1％，自檢測(cè)輸出大于5%