【摘 要】
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汽车、航空或者石油勘探等行业对压力传感器的需求量很大,这类行业涉及的很多设备也都工作在温度较高的环境中,这就要求压力传感器也能够耐受高温。基于声表面波（SAW）的传感器能够应用于包括高温在内的各种极端环境中测量物理参数,而Al N压电薄膜能够在高达700℃时正常工作,所以本文采用基于Al N薄膜的SAW压力传感器。尽管SAW压力传感器可以工作在高温环境中,但是当温度升高时,压强和温度之间存在耦合影
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汽车、航空或者石油勘探等行业对压力传感器的需求量很大,这类行业涉及的很多设备也都工作在温度较高的环境中,这就要求压力传感器也能够耐受高温。基于声表面波（SAW）的传感器能够应用于包括高温在内的各种极端环境中测量物理参数,而Al N压电薄膜能够在高达700℃时正常工作,所以本文采用基于Al N薄膜的SAW压力传感器。尽管SAW压力传感器可以工作在高温环境中,但是当温度升高时,压强和温度之间存在耦合影响,引起传感器的性能发生恶化,测量结果不准确。为了研究温度和压强的耦合效应扰动SAW传感器的性能进而导致测量结果不准确的问题,作者先研究了传感器在初始状态时的压力灵敏度和温度稳定性,然后进一步分析了耦合效应导致压力灵敏度和温度稳定性变化的情况。本论文的研究工作和结果如下:（1）设计了一款SAW压力传感器,利用MEMS技术制造出传感器实物,然后放置到自建的实验系统中进行测试,获得了耦合效应导致测试结果变化的具体数据,以验证仿真研究的准确性。（2）研究了传感器在初始状态时的频率压力相关系数PCF（本文用PCF表示压力灵敏度）、温度频率相关系数TCF（本文用TCF表示温度稳定性）。仿真研究过程中,给传感器的三维模型施加压强后取出应变,再加载到二维模型的预应变中,模拟传感器受压时的状态,最后该仿真表明传感器在参考温度（20℃）下的PCF为157.31ppm/MPa（测试为101.46ppm/MPa）。同样的,仿真得到传感器在常压下的TCF为-17.27ppm/℃（测试为-35.68ppm/℃）。（3）重点研究了温度和压强的耦合对传感器性能的影响,主要是温度对PCF和压强对TCF的影响这两项。仿真和实验确认PCF随温度的增加而增加,因为温度升高导致薄膜的杨氏模量减小,并且薄膜之间的热失配（或者热应力）增加,最终,相同压强引发的频移量更大,也即是PCF更大。当温度从20℃升到150℃,若仅考虑杨氏模量变化的贡献时,仿真获得的PCF增量（ΔPCF）为0.016 ppm/MPa。考虑热失配时,ΔPCF为23.4ppm/MPa,该值与实验测试结果（39.34ppm/MPa）更接近。（4）研究了耦合效应中的压强对TCF扰动。仿真和实验结果均表明|TCF|随压强增加而减小,因为高压引发的应变可以抵消一部分由温度引发的有效弹性模量减小量,所以频移量更小,最终|TCF|就更低。通过仿真方法分别研究了杨氏模量和热失配在|TCF|减小过程中的贡献,发现当压强从0MPa升到2MPa时,|TCF|减小量分别为0.003ppm/℃和0.49ppm/℃。对传感器的测试发现压强增加导致|TCF|减少了0.43ppm/℃,这几乎等于考虑热失配时的仿真结果。
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