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硅压力传感器受其自身材料限制,在高于120℃环境中性能开始恶化,在500℃环境中将产生塑性变形导致完全失效,已经不能满足石油化工、汽车电子、航空航天、国防军工等领域对高温环境压力测量的需求。因此,研究新型的耐高温压力传感器成为了当前和今后一段时间高温极端环境压力测量最迫切需要解决的前沿课题。
为了实现高温环境中压力的高精度测量,本论文设计了一种基于碳化硅-氮化铝的全高温双凹槽接触式电容压力传感器(Double-notches Touch ModeCapacitive Pressure Sensor,DTMCPS)。碳化硅和氮化铝作为性能优越的第三代宽带隙半导体材料,具有耐高温、高频、大功率和抗辐射等优良特性,是制作耐高温器件的最佳选择之一。双凹槽接触式结构设计能够显著改善压力传感器的工作特性,具有承受超高温和大载荷冲击的能力。
本论文主要研究全高温MEMS双凹槽接触式电容压力传感器的结构特点、工作原理、工作特性、结构优化、高温性能、制作工艺等。在博士论文中主要获得如下研究成果:
一、提出一种新型双凹槽结构的MEMS接触式电容压力传感器,其结构简单、稳定可靠且工艺性好。通过理论分析和数值模拟表明该传感器线性度好、灵敏度高、线性范围长、输出电容量大;分析该传感器压力测量与温度关系,表明其高温环境的测压性能优越。
二、采用全高温的三层材料结构,即碳化硅-氮化铝-碳化硅。其晶格结构、热膨胀系数、导热系数十分接近,避免了材料不匹配引起的测量误差。在传感器整体工艺设计中,特别研究了碳化硅和氮化铝直接键合的理论模型,为工艺过程的实验性研究提供理论依据。
三、将钱伟长中心挠度摄动法应用于传感器膜片的大挠度变形理论分析。对于上凹槽膜片接触变形,采用最大挠度摄动法对环形板大挠度变形进行求解;对于下凹槽膜片接触变形,采用轴向载荷与周向拉力共同作用下环形板的小挠度变形理论进行求解。传感器膜片变形解析解与有限元数值解的相对误差在1.2%以内。对传感器进行结构优化,并结合有限元模拟分析,表明当下凹槽与上凹槽半径之比约为0.2~0.4、下凹槽间隙与膜片厚度之比约为0.7~1.1时,传感器能够兼顾线性工作范围和灵敏度。
基于碳化硅-氮化铝的全高温MEMS双凹槽接触式电容压力传感器的建模和仿真研究,表明该传感器拥有优越的感测性能和高温性能,适合于恶劣环境中的高精度压力测量。