基于厚膜工艺的不锈钢压力传感器设计与制造技术研究

摘要

压力传感器在各个行业各个领域都有着广泛的应用,是传感器大家族中需求量最大的品种。然而目前市场上的各种压力传感器都存在着这样或那样的缺点,无法满足不同应用领域的实际需求。
　　针对当前主流压力传感器技术存在的不足,结合国内外行业发展状况,本文提出了两种非传统的基于厚膜工艺的不锈钢压力传感器,并对其进行研究。第一种是在430不锈钢弹性体上烧结厚膜电阻应变片制作不锈铁压力传感器。测试所需材料参数,借助于有限元法设计厚膜不锈钢压力传感器的结构和制造工艺,评估其的综合性能和可靠性。第二种是采用外延沉积技术制作半导体应变片,并将其通过厚膜工艺烧结在17-4PH不锈钢弹性体上制成不锈钢压力传感器,评估其主要性能指标;研究粘接剂材料特性和微观结构对传感器输出特性的影响。主要研究内容包括:
　　(1)采用纳米压痕连续刚度法测试430不锈钢基片上介质层的力学性能,结果显示,其平均杨氏模量为126.56GPa,平均硬度为8.364GPa。测试厚膜电阻的性能参数,评估其作为力传感器应变片的可行性。厚膜电阻的应变系数约为10.2,电流噪声约为?20dB,在?40~125℃的温度系数小于230ppm/K,在125~220℃的温度系数小于250ppm/K。
　　(2)自由落体试验和热冲击试验验证介质层和430不锈钢基片粘接的可靠性;微观结构分析表明不锈钢、介质层和厚膜电阻层在材料成分上是兼容的,证实了制作厚膜不锈钢压力传感器的可行性。
　　(3)采用有限元模拟,确定介质层的厚度与在额定载荷下厚膜电阻在介质层-不锈钢弹性体上的印烧位置。模拟计算厚膜电阻的自热效应、介质层与不锈钢的热胀系数失配产生的热应力对厚膜不锈钢压力传感器输出特性和可靠性的影响,并提出相应的改进方法。
　　(4)设计厚膜应变片式不锈钢压力传感器工艺流程,制作样品,评估其性能指标。该传感器在?40~125℃的温漂小于2.5％,与精度相关的参数误差(线性度、迟滞和重复性误差)都在0.15%以内;在125~220℃范围内,该传感器的温漂不高于2.85%,与精度相关的参数误差都在0.3%以内。
　　(5)采用外延沉积技术制造半导体应变片以提高其阻值一致性。借助于厚膜技术,用微熔玻璃作为粘接材料将半导体应变片烧结到17-4PH不锈钢弹性体上制作不锈钢压力传感器。该传感器在125℃的迟滞和重复性误差分别低于0.05%和0.12%,几乎完全等同于其在常温下的性能,表明微熔玻璃粘片工艺提高了传感器的高温性能。进一步的实验显示粘接剂微观结构缺陷会使应变片式压力传感器的迟滞和重复性误差恶化。

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1绪论

1.1引言

1.2厚膜技术概况

1.3厚膜压力传感器研究概况

1.4厚膜技术在传感器封装中的应用

1.5课题来源和研究内容

2 厚膜不锈钢压力传感器材料测试与可行性评估

2.1厚膜技术概述

2.2介质层纳米压痕测试

2.3厚膜电阻基本特性测试

2.4 厚膜不锈钢压力传感器可行性分析

2.5本章小结

3厚膜不锈钢压力传感器设计与制造

3.1薄板小挠度弯曲理论

3.2厚膜不锈钢压力传感器结构设计

3.3厚膜不锈钢压力传感器材料工艺参数选择

3.4厚膜不锈钢压力传感器制造工艺

3.5本章小结

4厚膜不锈钢压力传感器性能与可靠性评估

4.1厚膜不锈钢压力传感器输出特性

4.2热应力对厚膜不锈钢压力传感器可靠性影响

4.3厚膜电阻自热效应对传感器可靠性影响

4.4厚膜不锈钢压力传感器热冲击实验及分析

4.5本章小结

5厚膜技术封装的半导体压力传感器制造与性能评估

5.1半导体硅压阻效应原理

5.2传统半导体应变片制作工艺

5.3半导体应变片的外延工艺制造

5.4半导体压力传感器的厚膜工艺封装

5.5厚膜技术封装的半导体压力传感器性能评估

5.6粘片材料微观结构分析

5.7本章小结

6总结与展望

6.1 全文总结

6.2 今后工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文

攻读博士学位期间申请和授权专利