多功能压力传感器的研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangliang87
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本论文的研究工作是围绕着提高多功能压力传感器的工作温度与可靠性两方面展开的。主要对多晶硅高温压力-温度多功能传感器、多晶硅多功能压力传感器的自检测技术及大量程压力传感器的自检测技术进行研究。论文所取得的成果不但可以促进固态传感器向多功能化、智能化方向发展,而且可满足国防、航天、石油化工等领域的高温压力测量或高可靠测量的特殊需求。论文工作得到国家“863”及总装预研项目资助。  首先,以单晶硅、多晶硅压阻理论以及弹性力学理论为基础,利用有限元方法模拟分析了压阻式压力传感器压力敏感膜片的应力分布及其对传感器性能的影响,并在此基础上优化设计并制作了集成高温压力-温度传感器。传感器的工作温度达到300℃以上。  在集成高温压力-温度传感器中集成一个 MEMS自检测单元,此自检测单元采用热气驱动原理实现压力自检测功能。对此自检测单元进行混合建模与仿真。对仿真结果进行数据处理得出绝压腔内的平均温度分布、自检测加热功率与密封腔内气体平均温度关系等曲线。基于此对多功能压力传感器的结构参数进行了优化设计。实验研究了光刻剥离、静电键合等传感器制备中的关键技术,最终制作出量程为0.6MPa的多晶硅热气动式温度-压力多功能传感器。  鉴于热气驱动能力有限,本文对大量程压力传感器的相变式自检测方法进行了研究。设计并制作出三层叠层结构的相变式单晶硅自检测压力传感器,缩小了传感器的芯片尺寸,提高了自检测加热效率。该自检测方法已通过实验测量得到原理性验证,研制出量程为6MPa的单晶硅相变式热气动压力传感器样品。  对所研制的两种类型的传感器建立测试/标定系统,进行温度与压力敏感特性及自检测功能的测试与标定,并对测试结果进行了分析。测试结果表明:采用铂、铝、镍金属薄膜电阻作为温敏元件稳定可靠。铂薄膜电阻在比较宽的温度范围内有较好的线性、稳定性,铝膜热敏电阻具有良好的线性,镍膜热敏电阻稳定性极高。热气驱动方式实现自检测对传感器的压力敏感性能影响极小,自检测输出与驱动功率在一定范围内成线性,压力传感器综合精度优于1%,自检测输出大于5%F?S;相变式压力传感器的自检测输出大于2%F?S。  文章最后对多晶硅压阻特性进行了理论研究。多晶硅压阻效应的理论分析与数学推导结果表明,多晶硅晶界压阻效应的产生是由于应力作用改变了晶界势垒高度的结果;利用应力退偶模型,得到晶粒中性区和晶界势垒区压阻系数理论公式,由该式计算出的理论值更接近于实验测量值。
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