科技發(fā)展日新月異,在航空航天、石油、汽車等領(lǐng)域及重大工程項目中均離不開壓力傳感器的應(yīng)用。由于碳化硅在高溫下具有良好的機械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性,以碳化硅為材料的壓力傳感器逐漸成為研究熱點。而電容式壓力傳感器因其具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、高溫下性能穩(wěn)定等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于高溫下的壓力監(jiān)測。本文首先對電容式壓力傳感器傳感器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、建模和仿真分析,提出了一種倒圓錐空腔型器件新結(jié)構(gòu)（ICCPS）,該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)于普通壓力傳感器的接觸模式,可實現(xiàn)更高的電容靈敏度及更大的線性工作范圍。利用控制變量法分別研究了感壓膜厚度和絕緣層厚度對傳感器電容特性的影響,研究表明,在0到1MPa的外界壓力條件下,ICCPS傳感器的電容值最高可達120pF,而CPS傳感器的最大電容值僅為27pF;而且ICCPS傳感器的的接觸點壓力更小,使得器件的線性工作范圍拓展了0.2MPa;同時還發(fā)現(xiàn)ICCPS傳感器的電容靈敏度亦有明顯提升,幅度可達114.1%。其次,利用Ansys仿真軟件深入研究了在室溫到600℃和0到0.4MPa壓力范圍內(nèi)傳感器應(yīng)力應(yīng)變與溫度、壓力的影響關(guān)系。通過有限元法模擬分析了壓力傳感器在變溫和變壓條件... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

西儲大學(xué)硅基電容式SiC高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8第二章電容式壓力傳感器相關(guān)原理和理論2.1平行板電容器如圖2-1所示，對于電容式壓力傳感器來說，主要考慮的就是傳感器受到外界壓力后，空腔上方的感壓膜發(fā)生形變，導(dǎo)致傳感器的電容發(fā)生變化。又因為空腔以外的部分雖然也存在電容，但因其是固定電容，不隨外界壓力的變化而變化，所以不在本章的研究范圍之內(nèi)。圖中感壓膜和襯底都是SiC，二氧化硅作為絕緣層存在，同時也是傳感器制備時真空鍵合的條件之一。圖2-1電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖(a)當外界壓力為0時;(b)當外界壓力使得感壓膜與襯底接觸時在外界壓力為0的時候，感壓膜應(yīng)該和襯底平行。此時的傳感器就完全是一個平行板電容器，電容值的計算也完全依賴于平行板電容器公式。如公式(2-1)到公式(2-4)所示，C整個傳感器結(jié)構(gòu)的電容值，C1代表的是非空腔部分的環(huán)帶電容，為固定值，只與傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性有關(guān)，與外界壓力無關(guān)，其計算公式如式(2-2)所示。式中ε是二氧化硅絕緣層的相對介電常數(shù)，S是環(huán)帶的面積，h2是二氧化硅絕緣層的厚度。如(2-2)所示，對于環(huán)帶部分的面積S，將整個傳感器芯片的面積減去空腔部分的面積即可得到。式中rp是指整個傳感器芯片的半徑，r是空腔半徑。如(2-4)所示，C2代表的是空腔部分的電容，這部分電容會隨著外界壓力的增大而增大，也是本章節(jié)主要研究的內(nèi)容，式中εx是二氧化硅絕緣層和空腔層的等效介電常數(shù)，d(x)代表的是感壓膜受到壓力后感壓膜與襯底之間的距離，即受壓后的實際空腔高度。=1+2(2-1)1=02(2-2)=(22)(2-3)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文14=2+(2-9)=2=(2-10)得到測試數(shù)據(jù)之后，再結(jié)合上述公式，就可以計算出LT、RC和RSH，從而就能計算得到接觸電阻ρc。公式中LT指的是大部分電流流經(jīng)的接觸長度，也就是電流密度下降到電流密度初始值的1/e處。也就是說，在進行計算時，式中LT范圍內(nèi)的接觸面積才能被看成是有效的，所以比接觸電阻ρc與LT的關(guān)系成正比。即LT越大，ρc越大。TLM結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是測試準確，計算簡單，但它的缺點是在測試的適合必須進行臺面隔離，需要兩次光刻以及刻蝕工藝，工藝復(fù)雜度較高。圖2-2矩形傳輸線法測試比接觸電阻(a)結(jié)構(gòu)模型;(b)阻值與d的關(guān)系;(c)等效電路模型圓形傳輸線法CTLM相比TLM簡化了工藝步驟，僅僅需要一次光刻即可完成。雖然制作步驟很簡單，但缺點也很明顯，那就是計算過程比較復(fù)雜。另外，這種計算方法對各圓形環(huán)的半徑的精度要求極高，數(shù)據(jù)上再微小的誤差就會造成最終比接觸電阻的計算結(jié)果有很大的誤差。由于CTLM計算比接觸電阻的方法對光刻的精度要求極高，所以并沒有得到廣泛應(yīng)用。下面介紹一種與傳輸線模型截然不同的計算比接觸電阻的方法，叫做四探針法。四探針法的計算模型由四個半徑大小相同且等間距的圓形電極組成，如圖2-3所示。四探針法測試要求電極間距要遠大于圓形電極的尺寸，且需要在電極A與D之間通以一個恒定電流Iad，然后測量電極A與電極B之間的電壓Vab以及電極B與電極C之間的電壓Vbc。比接觸電阻的計算公式如(2-11)所示。

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