《GPa量級MEMS耐高溫超高壓力感測器》是依託西安交通大學，由趙立波擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：GPa量級MEMS耐高溫超高壓力感測器
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：趙立波
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目提出一種具有耐高溫、超高量程特點的GPa量級MEMS耐高溫壓力感測器，工作原理是被測介質壓力作用在與壓力接口一體的金屬彈性元件上，其最大擾度通過傳遞桿施加到矽梁敏感元件上，基於單晶矽壓阻效應，敏感元件在電源激勵下輸出與被測壓力成正比的電信號，實現壓力測量。該結構避免了敏感元件直接封裝在彈性元件的表面上，減少了封裝殘餘應力對感測器穩定性的影響。主要研究彈性元件和敏感元件的結構設計，使感測器量程高達1GPa，並研究金屬材料的高溫蠕變對感測器性能的影響；矽梁敏感元件的版圖設計和耐高溫製造工藝，最佳化壓敏電阻條的結構尺寸及多層膜的厚度；感測器封裝結構和封裝工藝研究及殘餘應力分析；感測器性能測試及穩定性、可靠性研究。該感測器可在-40℃～250℃溫度下實現1GPa的超高壓力測量，精度優於0.5%FS，解決了航空航天、軍工、石油化工、冶煉等領域在高溫、瞬時超高溫等條件下的超高壓力測量難題。
結題摘要
為了解決航空航天、軍工、石油化工、冶煉等領域存在的高溫、瞬時超高溫條件下的超高壓力測量難題，本項目對耐高溫超高量程壓力感測器進行了研究，以實現高達1GPa的壓力測量目的。為了使感測器能承受超高壓力並有將壓力轉化為可測變數的能力，以理論和仿真分析為指導，分析了膜片式和圓筒式結構彈性元件的承載能力和傳遞能力，確定彈性元件採用圓筒式結構，由此研製出了一種量程為500MPa的超高壓力感測器，通過性能試驗，驗證了圓筒式彈性元件用於超高壓力測量的可行性，為GPa量級超高壓力感測器的研究提供了技術基礎。針對1GPa量程耐高溫超高壓力感測器的研究，首先開展了結構方案和工作原理的研究，提出了利用位移測量的複合式和利用體積測量的充油式兩種結構模型，以保證感測器具有超高壓力測量和高靈敏度輸出的特點。其次，根據感測器工作原理，理論研究了圓筒式彈性承壓元件用於製作超高壓力感測器的可行性，還研究了以壓力測量為目標的圓筒自增強處理技術，通過理論計算和仿真最佳化相結合的方法確定了圓筒型彈性承壓元件的結構尺寸，並對其動態性能進行了研究。再次，針對兩種結構模型的工作原理，研究了E型和平膜兩種結構的敏感晶片，對其晶片結構、動態性能、力敏電阻設計、靈敏度最佳化、多層膜熱分析、版圖設計、製作工藝等進行了研究。此外，研究了複合式和充油式兩種結構模型感測器的封裝結構和製作方法，對封裝工藝中的殘餘應力和整體結構的動態性能進行了研究，且研究了適合於複合式結構和充油式結構感測器的封裝工藝，製作出了這兩種結構的感測器樣品，另外，還對感測器的補償技術進行了探索。最後，對製作出的敏感晶片和感測器樣品進行了性能實驗研究，實驗內容包括：敏感晶片時漂與溫漂實驗、感測器的靜態性能實驗，實驗結果表明研製的敏感晶片適用於高溫環境，性能優良；所研製的感測器綜合性能基本達到了研究目標，感測器的非線性誤差小於0.5%FS，可以實現航空航天、軍工、石油化工、冶煉等領域中超高壓力的測量。本項目成果對超高壓力感測器的研究提供了幾種切實可行的方案。項目研究過程中，已取得陝西省科學技術一等獎1項，已發表論文15篇（SCI/EI檢索11篇），授權發明專利3項、申請4項，參加國際國內學術會議五次，培養研究生3人。
