基于单晶硅的电容式压力传感器的设计与检测

论文摘要

接触式电容压力传感器(TMCPS)与其它类型压敏器件相比有着明显的优点,例如较好的线性,高的灵敏度和大的过载保护能力等。它在工业生产、医疗卫生、军事及科学研究等众多领域有着广泛的应用。目前国内对基于微机电系统(MEMS)的电容压力传感器的研究还很不成熟,过分依赖进口的情况制约了科学技术的发展。因此,开发出一种实用的基于MEMS技术的具有高灵敏度和高度线性的压力传感器已经成为传感器研究中亟待解决的问题。为了达到更好的性能,本文设计了双凹槽接触式电容压力传感器(DTMCPS),这种新型的结构是在传统的TMCPS的底部电极上刻蚀了一个浅槽。文中应用小变形理论和有限元法分别对膜片的变形进行了分析。分析结果表明,DTMCPS为解决不能同时获得高灵敏度和大线性范围的矛盾提供了一种有效的途径。与现有的接触式电容压力传感器相比,这种结构可以在保持高灵敏度的前提下实现更大的线性范围。另一方面,传感器的结构没有使加工工艺复杂化,从而没有明显地增加加工成本。本文在理论分析基础上设计了传感器的结构及加工工艺流程。传感器的结构建立在SOI材料上,在关键工艺中采用硅熔融键合技术。在加工中,仅使用了三块光刻用的掩膜板,简化了加工过程。为了检测传感器的性能,本文研究了电容式压力传感器的信号处理问题。在分析了包括谐振式、电桥式、运算放大器式、脉冲式、振荡器式等微电容测量电路的基本原理及特点之后。着重针对基于运算放大器原理的电路进行了具体的设计和加工。它包括一个全波整流电路和正弦信号源。最后,本文测试了传感器样本的性能,分析了测试结果中误差产生的原因并提出了改进方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 压力测量技术
• 1.1.2 微机电系统的起源及发展
• 1.1.3 MEMS压力传感器
• 1.1.4 课题研究的意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 设计方案的选择
• 1.4 本论文的内容和主要工作
• 第二章 接触式电容压力传感器的理论分析
• 2.1 接触式电容压力传感器的结构和工作原理
• 2.2 DTMCPS单晶硅膜片的弹性分析
• 2.2.1 硅结构的残余应力
• 2.2.2 弹性膜片的建模和求解
• 2.3 DTMCPS有限元分析
• 2.3.1 有限元分析简介
• 2.3.2 有限元分析的步骤
• 2.3.3 FEA建模
• 2.3.4 ANSYS求解
• 2.4 输出电容量的计算
• 2.5 DTMCPS的特性
• 第三章 DMCPS的工艺设计
• 3.1 DTMCPS结构设计
• 3.1.1 影响传感器测量精度的环境因素
• 3.1.2 DTMCPS中的寄生电容
• 3.1.3 DTMCPS结构设计
• 3.2 加工工艺简介
• 3.2.1 硅材料的特性
• 3.2.2 硅材料的关键加工工艺简介
• 3.3 DTMCPS工艺设计
• 3.3.1 下膜片的制备
• 3.3.2 上膜片的制备
• 3.3.3 硅熔融键合及后续工艺
• 3.3.4 掩膜板的设计
• 第四章 电路的设计
• 4.1 微电容测量电路及电路类型的选择
• 4.1.1 微电容测量电路的分类
• 4.1.2 检测电路的选择
• 4.2 检测电路的设计
• 4.2.1 电容检测电路
• 4.2.2 精密全波整流电路器
• 4.2.3 正弦激励源电路
• 4.3 电路的仿真
• 4.4 电路的制作与测试
• 第五章 接触式电容压力传感器测试与分析
• 5.1 压力传感器的测试
• 5.1.1 传感器的封装、测漏和绝缘电阻测试
• 5.1.2 数据的采集
• 5.1.3 老化及冲击测试
• 5.2 小结
• 第六章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 工作展望
• 符号表
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文
• 致谢