科技發(fā)展日新月異,在航空航天、石油、汽車(chē)等領(lǐng)域及重大工程項(xiàng)目中均離不開(kāi)壓力傳感器的應(yīng)用。由于碳化硅在高溫下具有良好的機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性,以碳化硅為材料的壓力傳感器逐漸成為研究熱點(diǎn)。而電容式壓力傳感器因其具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、高溫下性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高溫下的壓力監(jiān)測(cè)。本文首先對(duì)電容式壓力傳感器傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模和仿真分析,提出了一種倒圓錐空腔型器件新結(jié)構(gòu)（ICCPS）,該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)于普通壓力傳感器的接觸模式,可實(shí)現(xiàn)更高的電容靈敏度及更大的線性工作范圍。利用控制變量法分別研究了感壓膜厚度和絕緣層厚度對(duì)傳感器電容特性的影響,研究表明,在0到1MPa的外界壓力條件下,ICCPS傳感器的電容值最高可達(dá)120pF,而CPS傳感器的最大電容值僅為27pF;而且ICCPS傳感器的的接觸點(diǎn)壓力更小,使得器件的線性工作范圍拓展了0.2MPa;同時(shí)還發(fā)現(xiàn)ICCPS傳感器的電容靈敏度亦有明顯提升,幅度可達(dá)114.1%。其次,利用Ansys仿真軟件深入研究了在室溫到600℃和0到0.4MPa壓力范圍內(nèi)傳感器應(yīng)力應(yīng)變與溫度、壓力的影響關(guān)系。通過(guò)有限元法模擬分析了壓力傳感器在變溫和變壓條件... 

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西儲(chǔ)大學(xué)硅基電容式SiC高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8第二章電容式壓力傳感器相關(guān)原理和理論2.1平行板電容器如圖2-1所示，對(duì)于電容式壓力傳感器來(lái)說(shuō)，主要考慮的就是傳感器受到外界壓力后，空腔上方的感壓膜發(fā)生形變，導(dǎo)致傳感器的電容發(fā)生變化。又因?yàn)榭涨灰酝獾牟糠蛛m然也存在電容，但因其是固定電容，不隨外界壓力的變化而變化，所以不在本章的研究范圍之內(nèi)。圖中感壓膜和襯底都是SiC，二氧化硅作為絕緣層存在，同時(shí)也是傳感器制備時(shí)真空鍵合的條件之一。圖2-1電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖(a)當(dāng)外界壓力為0時(shí);(b)當(dāng)外界壓力使得感壓膜與襯底接觸時(shí)在外界壓力為0的時(shí)候，感壓膜應(yīng)該和襯底平行。此時(shí)的傳感器就完全是一個(gè)平行板電容器，電容值的計(jì)算也完全依賴(lài)于平行板電容器公式。如公式(2-1)到公式(2-4)所示，C整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)的電容值，C1代表的是非空腔部分的環(huán)帶電容，為固定值，只與傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性有關(guān)，與外界壓力無(wú)關(guān)，其計(jì)算公式如式(2-2)所示。式中ε是二氧化硅絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)，S是環(huán)帶的面積，h2是二氧化硅絕緣層的厚度。如(2-2)所示，對(duì)于環(huán)帶部分的面積S，將整個(gè)傳感器芯片的面積減去空腔部分的面積即可得到。式中rp是指整個(gè)傳感器芯片的半徑，r是空腔半徑。如(2-4)所示，C2代表的是空腔部分的電容，這部分電容會(huì)隨著外界壓力的增大而增大，也是本章節(jié)主要研究的內(nèi)容，式中εx是二氧化硅絕緣層和空腔層的等效介電常數(shù)，d(x)代表的是感壓膜受到壓力后感壓膜與襯底之間的距離，即受壓后的實(shí)際空腔高度。=1+2(2-1)1=02(2-2)=(22)(2-3)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文14=2+(2-9)=2=(2-10)得到測(cè)試數(shù)據(jù)之后，再結(jié)合上述公式，就可以計(jì)算出LT、RC和RSH，從而就能計(jì)算得到接觸電阻ρc。公式中LT指的是大部分電流流經(jīng)的接觸長(zhǎng)度，也就是電流密度下降到電流密度初始值的1/e處。也就是說(shuō)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，式中LT范圍內(nèi)的接觸面積才能被看成是有效的，所以比接觸電阻ρc與LT的關(guān)系成正比。即LT越大，ρc越大。TLM結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試準(zhǔn)確，計(jì)算簡(jiǎn)單，但它的缺點(diǎn)是在測(cè)試的適合必須進(jìn)行臺(tái)面隔離，需要兩次光刻以及刻蝕工藝，工藝復(fù)雜度較高。圖2-2矩形傳輸線法測(cè)試比接觸電阻(a)結(jié)構(gòu)模型;(b)阻值與d的關(guān)系;(c)等效電路模型圓形傳輸線法CTLM相比TLM簡(jiǎn)化了工藝步驟，僅僅需要一次光刻即可完成。雖然制作步驟很簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很明顯，那就是計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。另外，這種計(jì)算方法對(duì)各圓形環(huán)的半徑的精度要求極高，數(shù)據(jù)上再微小的誤差就會(huì)造成最終比接觸電阻的計(jì)算結(jié)果有很大的誤差。由于CTLM計(jì)算比接觸電阻的方法對(duì)光刻的精度要求極高，所以并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。下面介紹一種與傳輸線模型截然不同的計(jì)算比接觸電阻的方法，叫做四探針?lè)�。四探針�(lè)ǖ挠?jì)算模型由四個(gè)半徑大小相同且等間距的圓形電極組成，如圖2-3所示。四探針?lè)y(cè)試要求電極間距要遠(yuǎn)大于圓形電極的尺寸，且需要在電極A與D之間通以一個(gè)恒定電流Iad，然后測(cè)量電極A與電極B之間的電壓Vab以及電極B與電極C之間的電壓Vbc。比接觸電阻的計(jì)算公式如(2-11)所示。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]關(guān)于MEMS器件失效機(jī)理的討論[J]. 陳天佐,張琦,任德潔.  電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn). 2018(01)
[2]彈性薄板小撓度理論在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用舉例[J]. 徐洪濤,關(guān)飛飛,周尚武.  結(jié)構(gòu)工程師. 2016(02)
[3]4H-SiC MEMS高溫電容式壓力敏感元件設(shè)計(jì)[J]. 曹正威,尹玉剛,許姣,張世名,鄒江波.  納米技術(shù)與精密工程. 2015(03)
[4]倒島膜凹槽電容式壓力傳感器設(shè)計(jì)與特性分析[J]. 肖麗仙,何永泰,彭躍紅,劉晉豪.  電子元件與材料. 2014(07)
[5]基于SOI的硅微諧振式壓力傳感器芯片制作[J]. 馬志波,姜澄宇,任森,苑偉政.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2012(02)
[6]耐高溫壓力傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 張曉莉,陳水金.  傳感器與微系統(tǒng). 2011(02)
[7]碳化硅高溫壓力傳感器的研究進(jìn)展與展望[J]. 龐天照,嚴(yán)子林,唐飛,王曉浩.  噪聲與振動(dòng)控制. 2011(01)
[8]壓力傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 郭冰,王沖.  中國(guó)儀器儀表. 2009(05)
[9]現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向[J]. 孫圣和.  電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào). 2009(01)
[10]MOEMS壓力傳感器的研究進(jìn)展[J]. 王仕超,張曉霞,王祥斌,周勇,陳沛然,冷潔.  紅外. 2008(11)

博士論文
[1]金屬/SiC半導(dǎo)體接觸的SiC表面等離子體改性研究[D]. 黃玲琴.大連理工大學(xué) 2013

碩士論文
[1]4H-SiC歐姆接觸的高溫電學(xué)特性研究[D]. 郭濤.西安電子科技大學(xué) 2017
[2]基于隨機(jī)振動(dòng)的航天用高壓電源應(yīng)力仿真及失效分析[D]. 劉高鋒.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
[3]MEMS器件分層失效的強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究[D]. 張亞君.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2014
[4]SiC基無(wú)線高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)與制備工藝[D]. 李穎.中北大學(xué) 2014
[5]3C-SiC壓阻式壓力傳感器研究[D]. 張克基.西安電子科技大學(xué) 2013
[6]碳化硅高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)與工藝實(shí)驗(yàn)研究[D]. 嚴(yán)子林.清華大學(xué) 2011



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