高灵敏度压阻式碳化硅压力传感器设计与仿真

摘要

压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。目前扩散硅（Si）压力传感器受制于Si材料自身的限制，需要冷却系统才能工作于高温环境。碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿场强和优良的机械性能，在高温、高频、大功率和恶劣环境有重要的应用，SiC压力传感器不需冷却系统有望在高温恶劣环境下使用。但是由于SiC材料的压阻系数小，传感器存在满量程输出小、灵敏度低等问题。本文基于SiC材料，理论分析和有限元仿真相结合，设计了高灵敏度SiC压力传感器，仿真了传感器的工作特性，研究了影响输出信号的因素。
　　本文从弹性膜片的小扰度理论出发，基于线性度原则、灵敏度原则和安全性原则，根据信号输出特性，研究了压力传感器满量程与敏感膜片尺寸的关系；通过有限元仿真分析，研究了敏感膜片扰度和应力的分布规律。设计满量程为1.5 MPa时，敏感膜片的最优尺寸为半径800μm、膜厚40μm。基于压阻效应的原理，研究了压阻条排布对输出信号的影响规律，施加压力后，圆膜式传感器边缘处的压阻条阻值减小，中心处压阻条的阻值增大；优化后芯片在1.5 MPa压力下输出信号为88.57mV，灵敏度为11.81μV/V/kPa，高于文献报道的同类型压力传感器指标。基于压阻仿真分析，研究了压阻条尺寸及位置、敏感膜片尺寸和环境温度等因素对传感器输出信号的影响规律。输出信号与压阻条的厚度关系不大，但强烈受压阻条位置的影响，当边缘处压阻条位置距中心800μm时具有最高的输出特性；输出信号受敏感膜片尺寸影响非常大，灵敏度与膜片半径和膜厚的比值（a/t）的平方成正比；输出信号受温度影响较大，温度越高，输出信号越小，因此SiC压力传感器在高温下工作性能下降。基于AlN和SiC有相似的物理性能，仿真分析了AlN封装后传感器的热应力分布。结果表明，500C下AlN和SiC材料之间的热应力远小于芯片受压后产生的机械应力，热应力对信号的输出影响非常小，且不会导致芯片和封装材料之间的破裂。对传感器进行了模态、谐响应、瞬态响应的结构动力学分析，芯片模型具有很高的固有频率（0.346MHz）和很短的响应时间（1.75ms）。

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第一章 文献综述

1.1传感器

1.2压力传感器

1.3 压阻式碳化硅压力传感器

1.4 ANSYS仿真在压力传感器设计中的应用

1.5 本课题研究的意义与主要内容

第二章 SiC压力传感器的芯片设计与仿真

2.1 敏感膜片设计与仿真

2.2 压阻条设计与仿真

2.3 本章小结

第三章 SiC压力传感器的输出特性与热特性仿真

3.1 传感器的输出特性仿真

3.2 传感器热效应

3.3 本章小结

第四章 SiC压力传感器的结构动力学分析

4.1 模态分析

4.2 谐响应分析

4.3 瞬态响应分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

攻读硕士期间的主要研究成果

致谢

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