纳米薄膜电阻式压力传感器研究及软件设计

摘要

本文从理论上探讨了纳米薄膜电阻式压力传感器的工作原理并设计了一种高精度压力传感器芯片,提出了适合高精度纳米薄膜电阻式压力传感器的表征方法,分析了传感器的转换电路并对它们进行了比较.采用离子束溅射沉积技术,在经过特殊处理的17-4PH不锈钢弹性衬底上成功制备了NiCr纳米薄膜,成功地制备出了高绝缘性的SiO<,2>绝缘膜,用绝缘仪在100V直流电压下测得绝缘电阻大于10000MΩ.深入地分析了溅射速率、工作气压和衬底温度等参数对成膜机理、薄膜性能结构与生长速率的影响;理论和实验相结合,得出了较合理的薄膜生长工艺条件;分析了热处理工艺对合金薄膜传感器稳定性的影响,提出了一种新型NiCr纳米薄膜传感器芯片热处理工艺;研制出了高性能纳米合金薄膜压力传感器芯片,其最高使用温度比扩散硅式压力传感器以及电容式压力传感器的最高使用温度高100℃,其稳定性与传统粘贴式压力传感器相比得到了显著提高.用SEM分析了纳米NiCr薄膜的结构、表面形貌,并用轮廓仪精确测量了NiCr薄膜的厚度,实验结果表明NiCr薄膜表面形貌均匀连续,厚度为84.4nm.通过实验与理论分析,最终优化出了一种制备薄膜电阻式压力传感器芯片的新工艺.分析了影响纳米薄膜压力传感器灵敏度温度漂移特性的原因,使用C++语言设计了灵敏度温度漂移计算机补偿软件,避免了硬件补偿技术本身带来的不稳定性;用Java语言和数据库技术开发了对传感器特性和工艺参数进行处理的软件,大大提高了数据管理和数据分析的能力,对传感器的开发和研究起到了极大的帮助作用.在前述工作的基础上成功地研制出了纳米薄膜电阻式压力传感器,综合测试结果表明该新型传感器体积小,功耗低,精度达0.1级,能在高温(最高达200 ℃)、高压(最高达80Mpa)等恶劣环境下长期稳定和可靠地工作.在200℃下工作半年,其零点漂移小于0.1﹪F.S.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1选题背景及意义

§1.2压力传感器研究历程的回顾

§1.3主要研究内容

第二章薄膜电阻式压力传感器工作原理与性能表征方法

§2.1电阻应变式传感器物理基础

§2.2传感器性能表征方法

§2.3转换电路

§2.4弹性元件设计

§2.5本章小结

第三章纳米薄膜电阻式压力传感器芯片研制

§3.1弹性衬底材料选择

§3.2弹性衬底预处理

§3.3绝缘膜的制备与表征

§3.4应变电阻薄膜制备与表征

§3.5保护膜及电极制备与表征

§3.6薄膜结构、形貌和厚度分析

§3.7本章小结

第四章稳定性研究

§4.1薄膜电阻稳定性研究

§4.2传感器的装配与传感器的测试结果

§4.3传感器稳定性处理及分析

§4.4本章小结

第五章软件设计

§5.1灵敏度温度漂移的补偿

§5.2数据处理软件设计

§5.3本章小结

第六章结论与建议

参考文献

附录1传感器灵敏度温漂补偿C++程序

附录2传感器特性计算Java程序

附录3硕士生期间发表论文与出版书籍

致谢