新型压阻式MEMS温度传感器的理论研究

论文摘要

温度是最基本的物理量之一。随着社会的发展,在科学研究、工农业生产、日常生活等许多领域都涉及到温度的测量和温度传感器。由于MEMS传感器相较传统的传感器有体积小、功耗低、灵敏度高、便于与IC相集成等优点,基于MEMS技术的温度传感器已成为近年来一个新的发展方向。在此背景下,本文提出了两种基于硅压阻效应的新型MEMS温度传感器：（1）压阻式MEMS双层薄膜温度传感器；（2）压阻式MEMS复合梁温度传感器。压阻式MEMS双层薄膜温度传感器是由表面制有压敏惠斯通电桥的硅微桥和淀积在其表面的温敏聚合物薄膜构成。温敏聚合物薄膜在温度变化时发生膨胀变形,将带动硅微桥发生变形,使其中的压敏电阻阻值改变,从而可以通过惠斯通电桥实现温度-电压的转换。文中利用弹性力学薄板理论和热弹性力学分析了双层薄膜温度传感器中两层薄膜相互作用的力学理论模型,推导出传感器的等效温度荷载,推导出双层薄膜弯曲的微分方程,并对双层薄膜的弯曲刚度做出了修正,最终导出了传感器的输出表达式,结果表明传感器的输出与被测环境温度成线性关系。基于该理论模型,分析了传感器结构尺寸与性能的关系：如果采用较厚、较大的温敏聚合物薄膜和较薄的硅微桥,相应的传感器会具有较大的灵敏度。复合微梁温度传感器采用由两种不同材料组成的双层微梁结构,其中下层为表面制有惠斯通压敏电桥的硅微梁。当温度变化时,梁的各层材料因热膨胀系数失配而产生的温度应力会使梁弯曲变形,位于硅微桥表面的压敏电桥将此变形转换为电压输出,达到检测温度的目的。文中应用材料力学知识分析了复合微梁弯曲时硅微梁表面的应力分布,并由此导出了传感器的输出表达式,结果表明传感器的输出与被测环境温度成线性关系。基于该理论模型,分析了传感器结构尺寸及材料选择与性能的关系：如果双层复合微梁采用厚度较薄且热膨胀系数差异较大的材料,相应的传感器会具有较大的灵敏度。最后,本文在理论模型的基础上,分别对两种温度传感器的结构尺寸做了初步的设置。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 温度传感器概述
• 1.2 MEMS概述
• 1.2.1 MEMS的特点
• 1.2.2 MEMS与传感器技术的结合
• 1.3 本文研究目的和主要内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第2章 压阻式温度传感器的原理
• 2.1 固体的热膨胀和温度应力
• 2.1.1 固体的热膨胀和线热膨胀系数
• 2.1.2 温度应力
• 2.2 半导体的压阻效应
• 2.2.1 压阻效应
• 2.2.2 压阻系数
• 2.3 压阻式温度传感器的原理
• 2.3.1 压阻式双层薄膜温度传感器的结构
• 2.3.2 压阻式双层薄膜温度传感器的基本原理
• 2.3.3 压阻式复合微梁温度传感器的结构
• 2.3.4 压阻式复合微梁温度传感器的基本原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 双层薄膜温度传感器理论模型分析
• 3.1 弹性力学薄板小挠度理论及其基本假设
• 3.2 传感器的微分方程
• 3.2.1 温敏聚合物薄膜的温度应力
• 3.2.2 硅微桥的弯曲
• 3.2.3 薄板弯曲刚度的修正
• 3.3 硅微桥表面的应力分布
• 3.4 传感器的输出
• 3.5 压阻式双层薄膜温度传感器的特性分析
• 3.5.1 温敏聚合物薄膜的厚度对传感器输出的影响
• 3.5.2 硅微桥的厚度对传感器输出的影响
• 3.5.3 两层薄膜厚度之比与传感器输出的关系
• 3.5.4 温敏聚合物薄膜的半径对传感器输出的影响
• 3.5.5 压阻式双层薄膜温度传感器结构参数设置
• 3.6 本章小结
• 第4章 复合微梁温度传感器理论模型分析
• 4.1 梁的纯弯曲及平面假设
• 4.2 传感器的微分方程
• 4.3 梁表面的应力分布
• 4.4 传感器的输出
• 4.5 压阻式复合微梁温度传感器的特性分析
• 4.5.1 复合微梁中两种材料热膨胀系数对传感器输出的影响
• 4.5.2 复合微梁厚度对传感器输出的影响
• 4.5.3 压阻式复合微梁温度传感器结构参数设置
• 4.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文