基于SiC-AIN雙凹槽結(jié)構(gòu)的MEMS全高溫接觸式電容壓力傳感器基礎(chǔ)研究.pdf

1、硅壓力傳感器受其自身材料限制，在高于120℃環(huán)境中性能開始惡化，在500℃環(huán)境中將產(chǎn)生塑性變形導致完全失效，已經(jīng)不能滿足石油化工、汽車電子、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域?qū)Ω邷丨h(huán)境壓力測量的需求。因此，研究新型的耐高溫壓力傳感器成為了當前和今后一段時間高溫極端環(huán)境壓力測量最迫切需要解決的前沿課題。
　　 為了實現(xiàn)高溫環(huán)境中壓力的高精度測量，本論文設(shè)計了一種基于碳化硅-氮化鋁的全高溫雙凹槽接觸式電容壓力傳感器(Double-notche

2、s Touch ModeCapacitive Pressure Sensor，DTMCPS)。碳化硅和氮化鋁作為性能優(yōu)越的第三代寬帶隙半導體材料，具有耐高溫、高頻、大功率和抗輻射等優(yōu)良特性，是制作耐高溫器件的最佳選擇之一。雙凹槽接觸式結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠顯著改善壓力傳感器的工作特性，具有承受超高溫和大載荷沖擊的能力。
　　 本論文主要研究全高溫MEMS雙凹槽接觸式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、工作特性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高溫性能、制作工藝

3、等。在博士論文中主要獲得如下研究成果：
　　 一、提出一種新型雙凹槽結(jié)構(gòu)的MEMS接觸式電容壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠且工藝性好。通過理論分析和數(shù)值模擬表明該傳感器線性度好、靈敏度高、線性范圍長、輸出電容量大；分析該傳感器壓力測量與溫度關(guān)系，表明其高溫環(huán)境的測壓性能優(yōu)越。
　　 二、采用全高溫的三層材料結(jié)構(gòu)，即碳化硅-氮化鋁-碳化硅。其晶格結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)十分接近，避免了材料不匹配引起的測量誤差。在傳感器

4、整體工藝設(shè)計中，特別研究了碳化硅和氮化鋁直接鍵合的理論模型，為工藝過程的實驗性研究提供理論依據(jù)。
　　 三、將錢偉長中心撓度攝動法應(yīng)用于傳感器膜片的大撓度變形理論分析。對于上凹槽膜片接觸變形，采用最大撓度攝動法對環(huán)形板大撓度變形進行求解；對于下凹槽膜片接觸變形，采用軸向載荷與周向拉力共同作用下環(huán)形板的小撓度變形理論進行求解。傳感器膜片變形解析解與有限元數(shù)值解的相對誤差在1.2％以內(nèi)。對傳感器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合有限元模擬分析，表