海水的温度、盐度、深度(简称为温盐深)是海洋环境信息中最基本、最重要的三个物理量。抛弃式温盐深仪(Expendable Temperature,Conductivity and depth,XCTD)和水下滑翔机、自主式水下潜航器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)等水下快速移动观测平台由于能够十分灵活、低成本、快速实时、宽空间范围地测量海洋温盐深参数,已成为海洋领域的研究重点和前沿研究方向。目前,XCTD的深度测量是依据探头在水中的下沉速率和探头入水时间计算得到的,其测量精度一般为±5米或满量程的2%,尚未配备更高精度的深度(压力)传感器,大大限制了XCTD的应用范围。而装配于水下滑翔机、AUV等水下快速移动观测平台的压力传感器,由于需要满足多种海洋应用中的最大测量深度,导致垂直空间分辨率较低,需要能兼顾大量程和高垂直分辨率的阵列式压力传感元件。针对XCTD和水下快速移动观测平台的深度测量需求,本文基于硅材料的压阻效应,创新性地提出了复合量程硅压阻式压力传感技术,并进行了理论研究和模拟仿真。采用分布式压力传感元件布放方式,结合流速仪,提出了水下快速移动观测平台的深度测量结果修正方法,修正了水下流速和平台运动速度对其深度测量结果的影响,对提高剖面测量精度、扩展其应用领域,具有一定的理论指导意义。本文的主要内容如下:(1)三层复合材料平板理论的评估及分析。基于SOI(SilicononInsulator)晶圆制作的压力敏感膜片,推导了三层复合材料平板理论,分析了埋氧层厚度变化对五种三层复合材料压力敏感膜片的挠度和应力分布的影响,对比评估了三层复合材料平板理论、双层复合材料平板理论和有限元分析法在挠度和应力分析中的规律性和有效性。三种方法的规律性相同,但有效性略有差别,从高到低依次为有限元分析法、三层复合材料平板理论和双层复合材料平板理论。通过对比分析,选择了合适的SOI晶圆的埋氧层厚度。(2)20MPa大量程压力传感元件的参数设计。采用有限元分析软件COMSOL,基于压阻式压力传感元件的设计原则,对20MPa量程的压力传感元件进行了理论建模和仿真优化,分析了压力敏感膜片的挠度和应力分布,设计并优化了压力传感元件的膜片参数,压敏电阻的尺寸、形状和工艺参数,分析了工艺误差对压力传感元件输出电压灵敏度的影响。(3)6MPa小量程压力传感元件的应力补偿设计。设计并优化了基于玻璃基底凹槽和凸台的应力补偿结构,通过应力补偿设计,使6MPa量程的压力传感元件在2000米水深环境下膜片上的最大应力从1.56GPa降低到700MPa,提高了压力传感元件的抗过载能力。(4)复合量程压力传感元件阵列的整体设计。选择了 2×2一体化阵列式封装方式,给出了复合量程压力传感元件阵列的膜片设计参数和电阻设计参数,绘制了2×2复合量程压力传感元件阵列和玻璃基底应力补偿结构的版图。在水下快速移动观测平台上,采用分布式压力传感元件阵列并结合流速仪,修正了平台运动速度和水下流速对水下快速移动观测平台深度测量结果的影响。