基于MEMS技术SOI微压传感器研究

摘要

本课题采用MEMS技术在SOI片（器件层为n型＜100＞晶向单晶硅）上设计、制作粱-膜结构的微压传感器，该结构包括弹性元件和敏感元件。弹性元件由方形硅膜结构和四个短梁结构组成，敏感元件由四个蛇形压敏电阻（R1、R2、R3和R4）组成，且分别制作在四个短梁的根部构成惠斯通电桥结构，基于压阻效应可实现外加压力的测量。与一般的C型、E型等硅膜结构相比，该梁-膜结构在受到微压时可产生应力分布集中，通过平面应力集中效应，提高了压力传感器的灵敏度，可实现微压（0kPa-10kPa）的测量。本课题结合压力传感器的结构和工作原理，采用ANSYS有限元软件构建传感器结构的仿真模型，研究硅膜结构对传感器压敏特性的影响，给出优化的几何结构模型。仿真结果给出，梁-膜结构由于应力集中分布效应具有更好的压敏特性，并进一步仿真分析了梁-膜结构参数对压敏特性的影响，给出优化的几何结构参数。
　　本文采用L-Edit软件实现梁-膜结构微压传感器芯片版图设计，并基于MEMS技术在SOI片上实现梁-膜结构微压传感器芯片的制作和封装，通过采用全自动压力变送器测试系统、高低温实验箱和压力测试盘等搭建的测试系统，对传感器进行静态特性测试。实验结果给出:在室温20℃、工作电压VDD=5.0V和压力范围0kPa-10kPa下，梁-膜结构的微压传感器灵敏度为0.473mV/kPa、线性度为0.105％F.S.、重复性为0.316％F.S.、迟滞为0.211％F.S.和准确度为0.394％;当温度范围为-40℃到85℃变化时，灵敏度温度漂移为-25ppm/℃。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1．1 研究目的

1．1．2 研究意义

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 论文主要研究内容

第2章 微压传感器基本结构与工作原理

2．1 微压传感器基本结构

2．2 微压传感器工作原理

2．2．1 压力传感器基本工作原理

2．2．2 应力分布集中分析

2．3 本章小结

第3章 微压传感器芯片结构设计

3．1 微压传感器仿真模型构建

3．1．1 ANSYS软件简介

3．1．2 微压传感器仿真结构模型构建和仿真分析

3．1．3 硅膜结构对压敏特性影响分析

3．2 梁-膜结构参数优化

3．2．1 梁长对梁-膜结构压敏特性影响

3．2．2 梁宽对梁-膜结构压敏特性影响

3．2．3 梁厚对梁-膜结构压敏特性影响

3．3 微压传感器灵敏度分析

3．4 本章小结

第4章 微压传感器芯片版图设计、制作与封装

4．1 微压传感器芯片版图设计

4．2 微压传感器制作工艺

4．3 微压传感器芯片封装

4．3．1 芯片封装管座设计

4．3．2 芯片封装工艺

4．4 本章小结

第5章 实验结果与讨论

5．1 微压传感器静态特性测试系统

5．2 硅膜结构对压敏特性的影响

5．3 微压传感器静态标定

5．3．1 线性度

5．3．2 重复性

5．3．3 迟滞

5．3．4 准确度

5．3．5 灵敏度

5．4 微压传感器温度特性

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文

攻读学位期间发表专利

攻读学位期间科研项目

声明