由于硅材料的性能限制,硅基壓力傳感器無法正常工作在大于120℃的高溫環(huán)境,然而SiC電容式壓力傳感器具有靈敏度高、溫度性穩(wěn)定和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),使其能夠應(yīng)用于600℃的高溫環(huán)境。盡管SiC電容式壓力傳感器已經(jīng)應(yīng)用到在極端惡劣測量環(huán)境中,但極少對其進(jìn)行綜合應(yīng)力研究和失效機(jī)理分析。本文主要從高線性度SiC圓柱結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器的設(shè)計(jì)和分析、SiC電容式壓力傳感器綜合應(yīng)力仿真分析和失效機(jī)理分析三個(gè)方面來對傳感器進(jìn)行研究。首先,為了提高電容式壓力傳感器的線性度,設(shè)計(jì)了一種高線性度SiC圓柱結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器模型（TCCPS model）。TCCPS model采用二氧化硅材料作為介質(zhì)接觸層,可解決隨著壓力增大,極距減小導(dǎo)致的線性度較小的問題。研究發(fā)現(xiàn),TCCPS model在非接觸狀態(tài)下靈敏度偉0.9011,在接觸狀態(tài)下的靈敏度為0.9708�？芍獔A柱結(jié)構(gòu)SiC電容式壓力傳感器具有很高的線性度和魯棒性。其次,采用ANSYS有限元分析軟件,分別對芯片級和封裝傳感器開展了綜合應(yīng)力仿真分析。單一應(yīng)力包括溫度、壓力和沖擊;多應(yīng)力耦合主要包括溫度與壓力耦合以及溫度、壓力和振動(dòng)的綜合應(yīng)力。通過仿真得到傳... 

【文章來源】： 楊榮森 電子科技大學(xué)

【文章頁數(shù)】：100 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

柏林工業(yè)大學(xué)6H-SiC壓力

第一章緒論5可以解決熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，從而能夠減小高溫下的熱應(yīng)力，但是于SiC材料的壓敏系數(shù)對溫度比較敏感，導(dǎo)致溫度穩(wěn)定性差，高溫下漏電流較大。NASA格林研究中心在早期就對SiC壓阻式壓力傳感器方面開展深入的研究[10]，傳感器芯片級結(jié)構(gòu)如圖1.4所示，其技術(shù)特點(diǎn)是：將6H-SiC作為基底材料，并進(jìn)行同質(zhì)外延摻雜，形成壓阻層和pn結(jié)；采用了電化學(xué)刻蝕和ICP深刻蝕技術(shù)；在SiC感壓膜上采用Ti(100nm)/TaSi2(400nm)/Pt(100nm)接觸金屬作為歐姆電極；采用AlN材料作為封裝的基座，并提出了一種直接封裝技術(shù)，不采用普通的導(dǎo)線連接，從而解決了封裝熱應(yīng)力過大的難題。SiC壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，目前在高溫壓力傳感器研究方面有較多的成果，隨著碳化硅材料深刻蝕技術(shù)的發(fā)展和封裝技術(shù)的改進(jìn)，SiC壓阻式壓力傳感器逐漸被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)和國防的各個(gè)領(lǐng)域，壓阻式傳感器技術(shù)已經(jīng)比較完善。1.3.3電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器與壓阻式傳感器相比，具有高靈敏度、高溫度穩(wěn)定性和高響應(yīng)度，國內(nèi)高溫電容壓力傳感器主要采用4H-SiC感壓膜以及硅襯底制備而成，其結(jié)構(gòu)如圖1.5所示[2]，采用SiC晶片減薄拋光工藝制作感壓膜，通過MEMS加工工藝，研制出SiC高溫壓力敏感元。2007年，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的LiChen等人展示了完全采用3C-SiC制作而成的電容式高溫壓力傳感器[9]。其實(shí)物圖如圖1.6所示，主要采用低溫氧化物作為犧牲層來作為空腔，基底和感壓膜均采用SiC材料，Si3N4作為絕緣層，通過ICP干法刻蝕出空腔，該傳感器能夠在574℃下工作。這種采用表面微機(jī)械加工制備的SiC薄膜溫度穩(wěn)定性較差，采用SiC體材料作為感壓膜將圖1.3柏林工業(yè)大學(xué)6H-SiC壓力傳感器芯片截面圖1.4NASA格林中心6H-SiC壓阻式傳感器

動(dòng)、沖擊和正弦掃描等。因此，需要總結(jié)出國內(nèi)外針對于傳感器的綜合應(yīng)力研究動(dòng)態(tài)，以便探索SiC電容式高溫壓力傳感器的綜合應(yīng)力的研究方法。國外在傳感器的原理、材料、結(jié)構(gòu)、加工以及封裝技術(shù)等傳感器技術(shù)比較成熟，國外的研究者們對SiC壓力傳感器與相似結(jié)構(gòu)的研究要集中在結(jié)構(gòu)性能研究和可靠性研究。在傳感器的性能和結(jié)構(gòu)研究方面，西儲(chǔ)大學(xué)主要對電容式壓力傳感器進(jìn)行了研究，他們采用低應(yīng)力、重?fù)诫s的多晶的SiC材料作為敏感膜和襯底，在574℃下，帶有封裝結(jié)構(gòu)的該傳感器能夠正常工作[14]，同時(shí)，在進(jìn)一步的研究中，他們采圖1.5航天長征火箭技術(shù)有限公司碳化硅電容壓力傳感圖1.6美國西儲(chǔ)大學(xué)全碳化硅電容壓力傳感器密封腔SEM圖

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：2991051