高温压力传感器的研制与计算机模拟

论文摘要

高温压力传感器因其特殊的应用环境而日益受到人们的重视。在石油，化工，冶金，航空航天等领域，对高温环境下的压力测试是必要的。多晶硅高温压力传感器和SOI高温压力传感器是目前传感器市场上，用于在高温压力测量领域中替代普通扩散硅压力传感器的理想产品。本文论述了一种新型多晶硅-AlN薄膜高温压力传感器的研制，它综合考虑了多晶硅高温压力传感器和SOI高温压力传感器的优点，并结合了MEMS制作工艺技术。其要点是在力敏电阻条与硅弹性膜之间利用氮化铝进行绝缘隔离。氮化铝与硅的热膨胀系数接近，附着力高，耐击穿性好。又具有高化学稳定性，高热导率，对于压力传感器的电桥散热特别有利，可解决压力传感器启动时的零点时漂。由于无p－n结，力敏电阻无反向漏电，依此制造的压力传感器的特性好（零点电漂移及热漂移小、非线性小）。力敏电阻条由多晶硅构成。利用Al诱导退火能使溅射得到的非晶硅在600℃时转化成为多晶硅。利用湿法刻蚀电阻图形，并采用各向异性腐蚀技术制作硅杯，最后使用PbO-ZnO-B2O3低温玻璃封接技术进行封接。多晶硅-AlN薄膜结构的压力传感器制作工艺与传统的CMOS制作工艺兼容，易于实现集成化。所以这是一种性能理想的高温压力传感器。此外，利用工程上较为流行的软件ANSYS对高温压力传感器进行了模拟，得出其在高温环境下工作时的温度分布情况。比较了AlN, 2 SiO与2 3 Al O分别作为绝缘散热层时模型的温度分布，并且比较了散热层不同厚度时力敏电阻中心点的温度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 压力传感器的发展与现状
• §1-2 高温压力传感器的研究状况
• §1-3 本论文的主要研究内容
• 第二章 高温压力传感器的设计
• §2-1 SOI 材料的结构与特点
• §2-2 压力传感器的灵敏度分析
• 2-2-1 多晶硅压阻效应
• 2-2-2 承压弹性膜片的应力分析
• §2-3 传感器的芯片版图设计
• 2-3-1 力敏电阻的阻值
• 2-3-2 力敏电阻的条宽
• 2-3-3 力敏电阻的长度
• 2-3-4 芯片尺寸的确定
• 第三章 传感器的工艺设计和试制
• §3-1 工艺流程设计
• §3-2 硅片的清洗
• §3-3 氮化铝薄膜的溅射制备
• 3-3-1 氮化铝的晶体结构及其性能
• 3-3-2 氮化铝的制备
• 3-3-3 AlN 薄膜的性能测试
• §3-4 非晶硅溅射及其在铝诱导下晶化
• 3-4-1 非晶硅退火晶化机理简析
• 3-4-2 多晶硅薄膜的制备
• 3-4-3 溅射基片的检测分析
• §3-5 光刻
• §3-6 各向异性腐蚀硅杯
• §3-7 高温压力传感器的封接问题
• 第四章 高温压力传感器研制方法的改进
• §4-1 概述
• §4-2 设计
• §4-3 工艺流程
• 第五章 高温压力传感器的计算机模拟
• §5-1 ANSYS 简介及模拟过程
• §5-2 热模拟理论基础
• §5-3 模型的建立
• 2Al₂O₃ 作为绝缘层时的比较'>§5-4 AlN SiO₂Al₂O₃作为绝缘层时的比较
• §5-5 散热层不同厚度时衬底温度的比较
• §5-6 散热层不同厚度时电阻中心点温度的比较
• §5-7 结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果