MEMS汽车压力传感器封装关键问题研究

摘要

20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计，伴随着70年代早期微加工技术和硅加工工艺的迅速发展，基于扩散硅芯片封装的MEMS（Micro Electro-mechanical Systems）压力传感器发展迅猛并广泛应用于汽车工业。对于中高档汽车来说，发动机系统、底盘控制系统、车载空调控制系统、变速箱系统、安全辅助系统中都能见到 MEMS压力传感器的身影。经过几十年的发展，基于扩散硅原理的压力芯片结构和工艺已经成熟，面对不同的应用环境和条件封装成为影响压力传感器性能及可靠性的关键。本文通过理论、仿真以及实验的手段研究了两类典型封装形式的MEMS汽车压力传感器，重点分析了封装材料、关键工艺以及封装结构对性能的影响，并针对具体应用开发了一款专用于尿素溶液的压力传感器。具体工作如下：
　　（1）针对灌封胶力学性能测试困难的问题，搭建了基于空泡流变学原理（Cavitation Rheology）的灌封胶力学性能测试平台。从理论分析的角度研究了软材料中气泡的膨胀问题，得到了空泡流变学实验的关键公式。并将该平台应用于市场中常用的三款灌封胶力学性能测试。
　　（2）研究了灌封胶中气泡的存在对压力传感器输出性能的影响机制。基于静流体单元分析方法详细研究了灌封胶中气泡的大小以及分布对压力传感器的线性度、零漂以及灵敏度等指标的影响。同时进行了实验研究，为灌封工艺的改进提供了方向。
　　（3）研究了基于波纹膜片封装的压力传感器敏感头部件的关键特性。基于静流体单元法系统研究了波纹膜片和填充硅油的性质对传感器性能的影响，并重点分析了特定封装结构的温漂特性，与实验测得的数据吻合良好。为基于波纹膜片封装的新品开发与设计提供了有力的定量分析手段。
　　（4）提出了一种用于分析液体结冰膨胀引起结构变形的分析方法。基于液体结冰特性以及相关实验研究，提出两步走的结冰膨胀问题分析方法。先进行考虑相变潜热的热分析，找出结构中液体结冰和未结冰区域；随后进行基于静流体单元法的结构变形分析，其中结冰区域采用普通固体单元建模，未结冰区域采用静流体单元建模。通过基于厚膜传感器的冰冻实验验证了仿真方案的有效性。
　　（5）设计了一款专用于Urea-SCR系统中尿素溶液压力监测的传感器。提出在引压口中放入可压缩材料的封装方案应对尿素溶液解绑问题，仿真和实验都验证了设计的有效性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 压力传感器封装技术

1.3 国内外研究现状及存在的问题

1.4 本文的研究内容及章节安排

2 基础理论及分析方法

2.1 MEMS压力传感器工作原理

2.2 封装材料灌封胶力学性能测量理论基础—空泡流变学方法

2.3 静流体单元分析方法

2.4 本章小结

3 封装材料灌封胶力学性能研究

3.1 测试平台的搭建及样品准备

3.2 实验结果分析

3.3 本章小结

4 基于灌封胶封装压力传感器气泡问题研究

4.1 基于灌封胶封装的压力传感器

4.2 气泡问题仿真分析

4.3 气泡问题实验及结果分析

4.4 本章小结

5 基于波纹膜片封装的压力传感器关键问题研究

5.1 基于波纹膜片封装的压力传感器简介

5.2 核心感压元件的关键参量分析

5.3 基于波纹膜片封装的尿素喷射压力传感器研究

5.4 本章总结

6 全文总结与工作展望

6.2 论文创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间申请和授权专利