论文部分内容阅读
热传导真空传感器广泛应用于工业和科学研究领域的真空设备中进行气体压强测量。近些年来，微机械热电堆真空传感器以其体积小、功耗低、响应快、气体压强测量范围宽等优点得到广泛的研究。为了制作高性价比的微机械热电堆真空传感器，本论文对基于CMOS-MEMS的集成热电堆真空传感器进行了深入系统地研究。本论文首次建立了恒功率工作模式下的CMOS-MEMS集成热电堆真空传感器的理论解析模型，设计了该传感器的结构和工艺流程，成功制作了基于CMOS-MEMS的集成热电堆真空传感器。采用玻璃浆料键合技术，在国际上首次完成微机械集成热电堆真空传感器的非气密性封装，且器件的成品率达到了90％以上。 首先，对传感器进行了ANSYS建模和仿真，仿真分析结果有效地预测了器件的输出趋势。同时深入地研究了气体热传导微尺度效应，并研究了气体热传导、固体热传导、热辐射和热对流对微机械热电堆真空传感器的加热器散热的影响，在此基础上，建立了针对微机械热电堆真空传感器的理论解析模型，并通过实验结果对比验证了该模型的有效性，该模型可以有效地用来对微机械热电堆真空传感器进行结构优化。 其次，设计了基于CMOS-MEMS的集成热电堆真空传感器的结构、版图、工艺流程，成功地制作了基于CMOS-MEMS的集成热电堆真空传感器。为了提高微机械热电堆真空传感器的灵敏度、扩展传感器的气体压强测量范围和保护传感器的悬浮结构不被破坏，通过采用玻璃浆料键合技术，给传感器加上了一个硅盖板，同时完成了传感器的非气密性圆片级封装，并且器件的成品率在90％以上。 再次，建立了真空传感器的测试系统，该系统由真空泵、商用真空传感器、流量传感器等组成，能够提供10-3Pa到1.013×105Pa的一个真空测量环境。同时建立了真空传感器的三种工作模式，对真空传感器的性能进行了测试，并对比了三种工作模式下真空传感器的输出特性。测试结果表明，传感器的气体压强测量范围至少是5×10-3Pa～105Pa，该基于CMOS-MEMS的集成热电堆真空传感器可以应用于真空设备中进行中真空和粗真空的测量。 最后，本论文首次提出了基于通孔硅热电偶的能量采集器，设计了基于通孔硅热电偶的能量采集器的结构、版图和工艺流程，并对基于通孔硅热电偶的能量采集器系统进行了ANSYS建模和仿真分析。