基於SOI高靈敏高過載梁膜結構微壓感測器研究

《基於SOI高靈敏高過載梁膜結構微壓感測器研究》是依託西安交通大學，由田邊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於SOI高靈敏高過載梁膜結構微壓感測器研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：田邊
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

本項目提出高靈敏、高過載微壓感測器梁膜結構及基於絕緣襯底上的矽SOI（Silicon On Insulator）的MEMS製作工藝。以壓阻效應及板殼理論為基礎提出了田字型梁膜結構壓力感測器；以耐高溫絕緣襯底上的矽材料為基底，研究其MEMS製作工藝。主要研究內容包括壓力感測器結構彈性力學分析、分析壓阻式壓力感測器結構撓度與靈敏度變化過程、將田字型梁膜結構與傳統壓阻式壓力感測器結構進行仿真比較、給出田字型梁膜結構壓力感測器設計的原則、根據建立力學模型推導田字型梁膜結構相應的撓度及應力公式、設計壓敏電阻、提出相應的製作工藝和測試封裝方案。該研究為目前微壓感測器製作領域提供了新的設計理念與方案，相應的設計及製作方案，解決壓阻式微壓感測器的溫度穩定性差，靈敏度與線性度矛盾的問題，推動該感測器在微壓測量領域的廣泛套用。

結題摘要

微壓感測器作為壓力感測器的一種常用感測器，被廣泛套用於風洞測試，生物醫電及石油化工，鐵路交通、智慧型建築、生產自控、航空航天領域。在航空航天或鐵路交通中，人會由於空氣壓力波動產生的微壓波而感到不適，本項目主要針對此問題，進行高靈敏度微壓感測器的研究製作，並提出了梁膜結構及相關的MEMS製作工藝。主要研究內容包括壓力感測器結構彈性力學分析、分析壓阻式壓力感測器結構撓度與靈敏度變化過程、將 田字型梁膜結構與傳統壓阻式壓力感測器結構進行仿真比較、給出田字型梁膜結構壓力感測器設計的原則、根據建立力學模型推導田字型梁膜結構相應的撓度及應力公式、設計壓敏電阻、提出相應的製作工藝和測試封裝方案。 本研究提出了兩種微壓感測器結構，梁膜結構和梁膜島結構，通過有限元對新型結構進行設計和仿真最佳化，對感測器不同結構尺寸進行仿真，獲得其力學特性，包括撓度及最大應力，經過最佳化確定影響微壓感測器力學性能的最優的尺寸參數，同時對各個尺寸所獲得的最大應力及撓度曲線進行擬合，推導得出新型梁膜結構壓力感測器的最大應力及撓度公式。對感測器在微壓高過載狀態下的性能輸出進行研究，通過仿真、對比分析，發現梁膜結構和梁膜島結構在微壓測量中的力學特性差異，其中梁膜結構過載能力較差，而梁膜島結構在原來的梁膜結構基礎上通過附加質量塊起到限位防過載作用，但是卻犧牲了其靈敏度輸出，並且由於質量塊在加速度及振動干擾下會產生較大的干擾信號，因此對微壓感測器在高靈敏測量需求中的干擾信號解耦帶來了問題。為了解決以上問題本課題創新性的提出了一種新的感測器結構，將限位質量塊與敏感晶片分離，通過與帶限位塊的玻璃與敏感晶片以鍵合方式來實現。開發了一套適合於梁膜結構的微壓感測器加工工藝流程：由於梁膜結構感測器需要對基片進行雙面刻蝕，因此在工藝流程設計中除了要考慮感測器雙面對準的問題，此外，還要考慮如何在感測器正面SOI材料氧化層獲得梁結構，本課題通過在體矽進行正面ICP 刻蝕獲得十字梁，再在矽基體的背面刻蝕出腔體，形成承壓膜。 該研究為目前微壓感測器製作領域提供了新的設計理念與方案，相應的設計及製作方案，解決壓阻式微壓感測器的溫度穩定性差，靈敏度與線性度矛盾的問題，推動該感測器在微壓測量領域的廣泛套用。