一种航空用高温压力芯片设计与封装技术研究

文中研制了一种基于微机电系统(MEMS)技术的硅压阻式绝缘体上硅(SOI)高温压力芯片。从压力芯片结构设计、关键尺寸计算以及有限元分析等方面考虑,对压力芯片可动膜片进行了结构优化;从压敏电阻条的注入位置、几何形状、器件噪声分析和计算等方面设计,确定了压敏电阻条的最优尺寸;压力芯片采用薄膜隔离充油封装工艺,通过设计创新金丝焊接路径、工艺及方法,金丝抗拉强度提升了1倍。性能测试结果表明,研制的高温压力芯片量程为0~1 MPa,室温条件下满量程输出大于90 mV,线性度优于±0.1%FS,重复性优于±0.01%FS。在-55~150℃温度范围内,高低温漂移均优于±0.01%FS/℃。100000次高低压交变循环试验后,传感器零点和满量程漂移优于±0.1%FS。

片上温漂补偿的压阻式压力芯片的设计与制造

为解决硅压阻式压力芯片灵敏度随着温度变化发生漂移的问题,设计了一种在片上集成温度补偿结构的压力芯片。在压力芯片上制备电阻温度系数(TCR)为负数的多晶硅电阻用于分压,调整不同温度下的惠斯通电桥端电压以达到灵敏度补偿的效果。本文的研究包含理论分析、参数计算,并进行了芯片制备和性能测试。性能测试结果表明,补偿后的耐高温封装传感器芯片在-50℃~270℃区间内,温漂为-0.034%FS/℃,简易封装传感器芯片在-40℃~125℃区间内的温漂为-0.008%FS/℃,该补偿芯片的温漂远小于无补偿的压力芯片。

SOI压力芯片敏感电阻条刻蚀研究

针对微机电系统(MEMS)绝缘体上硅(SOI)压力敏感芯片电阻条刻蚀过程中易损伤的问题,对敏感电阻条的刻蚀工艺进行优化设计,通过调整平板功率、气体流量比例等参数,最终找出最优的工艺参数,减少等离子体对敏感电阻条的侧向损伤,从而提高SOI压力敏感芯片的稳定性。

压阻式压力传感器芯片悬空型无引线封装结构的设计与实验

传感器的无引线封装技术取消了传统的引线键合连接,因而在极端环境下,具有耐高温、抗冲击能力强等特点,有广阔的发展前景。但在常规无引线封装结构中,芯片与玻璃基座烧结固连,会受到高温热固耦合下的热应力影响,进而降低测量精度。针对这一问题,以压阻式压力传感器芯片作为封装对象,提出了一种芯片悬空型无引线封装结构,对其封装材料的选择进行了研究并对整体热应力分布及大小进行了仿真分析;通过实验探究了封装结构中金属电极-导电银浆-金属插针电学互连通道在高温环境下的电学稳定性和力学强度;对采用该封装结构的压力传感器样品进行了输出和温度性能测试。结果表明,该封装结构整体所受热应力显著低于常规结构;电学互连通道的接触电阻远小于芯片压敏电阻,高低温循环条件下其阻值变化小于14Ω;高低温冲击后其拉伸破坏拉力在1.2 N以上;传感器样品输出电压线性度良好,在25~225℃内最大热零点漂移小于0.01%FS/℃,最大热满量程输出漂移小于0.20%FS/℃,相比于常规无引线封装结构显著减小了传感器热零点漂移,验证了该封装结构的可行性,为解决常规无引线封装结构中芯片热应力自释放问题提供了一个新的研究思路。

联动薄膜压力敏感芯片测试方法研究

在MEMS技术受到广泛应用的趋势下,为适应未来发展的需要,以电容式压力敏感芯片为例,设计一种针对联动薄膜压力敏感芯片电容检测的测试方法,可对压力敏感芯片的输出电容做出准确测量。该测试方法涉及电路中的电容时间转换电路、时间脉宽转换电路、脉宽提取器以及数字输出电路,对各个电路模块进行电路设计论证,分析电路功能的完善性,并绘制版图,按照测试方法合并所有电路模块进行整体电路仿真及测试。实验结果表明测试方法达到设计预期。

耐高温SOI结构压力敏感芯片的研制

如何制作与生产适宜高温环境下应用的压力传感器，一直备受关注。在SIMOX技术SOI晶圆的基础上，设计了压力敏感芯片结构，并基于MEMS工艺制作了芯片。电桥采用1mA恒流源供电，在300℃下，满量程输出≥180mV，灵敏度为30-40mV/（mA.MPa），非线性≤1‰FS，重复性≤1‰FS。与常温测试结果相比，300℃高温下，敏感芯片的静态性能没有明显差异。

基于SOI的MEMS压阻式高温压力敏感芯片的研制

设计并制备了一种基于SOI(silicon on insulator)材料的MEMS压阻式高温压力敏感芯片。在设计方面,通过理论计算与仿真,对敏感芯片各项参数进行了优化;在工艺方面,设计了基于标准MEMS工艺的制作流程,并创新性地提出了"器件区下沉"工艺步骤,以提高敏感芯片工艺制备的可靠性。采用316L不锈钢基座对MEMS压力敏感芯片进行封装后,完成了温度、压力复合环境标定测试,结果显示其具有较高的测量精度,并可在20~220℃温度范围内稳定工作,具备在高温恶劣环境中应用的前景。

一种厚膜电容式压力敏感芯片

厚膜电容式压力敏感芯片具有工作温度范围宽、耐腐蚀、抗过载能力强、蠕变和迟滞小等优点。该芯片是由2块能牢固键合成一体的上下基板组成,基板材料为96%Al2O3陶瓷。下基板既为弹性体,又为电容器的可动电极;上基板为电容器的固定电极并可承载运放、信号调节电路。文中研制的压力敏感芯片量程为0-100 kPa,电容值为30 pF,非线性为1.5%,工作温度为-40-125℃,零点温漂小于200 ppm/℃.

硅-蓝宝石压力传感器芯片调整电阻的设计

介绍了硅-蓝宝石压力传感器芯片外延硅层上调整电阻的设计和应用,通过设计调整电阻来实现芯片的电桥平衡,达到了调整其输出特性、改善传感器性能、提高芯片适用性的目的。

联动薄膜电容式压力敏感芯片研制

文中对联动薄膜电容式压力敏感结构进行研究,结构中的上极板和下极板均感压可动,随着压力载荷的增加,上下极板绝缘接触后,通过下极板对上极板形变状态的调节作用,有效增加了线性响应范围,提高了线性度。同时,结构中采用带有残余压应力的感压上极板来代替无应力的感压上极板,通过仿真计算表明,相较于无应力的感压上极板,当感压上极板中存在残余压应力时,输出电容具有更好的线性响应。通过采用SOI材料的单晶硅薄膜结合硅-硅直接键合技术试制了量程为0~80 kPa压力敏感芯片,并给出了工艺流程。测试结果表明,在20~64 kPa压力范围下,所试制压力敏感芯片的灵敏度为0.057 pF/kPa,非线性度为3.1%。

芯片式压力传感器标定平台实现

论述了芯片式传感器的结构组成、基本工作原理和标定过程。依据桥式传感器的温度漂移和非线性补偿多项式模型,分析了传感器的标定和调理过程,在此基础上,提出了芯片式传感器的标定平台系统方案。标定平台以传感器信号调理通信板、批量标定板、传感器设备单元为基础,PC端上位机集成了可编程逻辑控制器(PLC)、调温调压设备等控制设备,实现了传感器的批量自动化配置、测量、标定和检测等工作。所设计的标定平台能够有效地满足实际生产中大批量传感器产品的标定任务要求。

压阻式MEMS高温压力传感器设计与关键工艺研究

在SIMOX技术SOI晶圆的基础上,设计了压力敏感芯片结构,并基于MEMS工艺制作了压力敏感芯片。根据芯片实际情况,分析了传感器制备过程的关键工艺参数及其影响。同时采用5 V恒压源供电,在相同情况下,增加kulite压力传感器背靠背测量不同气压下的输出电压值并比较。测量结果表明,所制备的SOI压力传感器线性度达到0.99%,重复性高达0.35%,迟滞性为0.1%,有望用到实际工程应用中。

一种高温压阻式压力传感器的制备与倒装焊接

通过高温烧结技术得到了总体尺寸为15 mm×15 mm×0.6 mm的低温共烧陶瓷（LTCC）转接基板,并通过丝网印刷方式将转接焊盘的图形转移到经过高温烧结的LTCC转接基板上,形成金凸点和互连线图形;同时利用MEMS工艺中的刻蚀、氧化、金属蒸发和静电键合等工艺制备出SOI高温压力敏感芯片,最后通过采用各向异性导电胶的装配方式将高温压力敏感芯片倒装焊接到氧化铝陶瓷基板上,对倒装封装的敏感芯片进行高温下的加压测试。高温压力测试结果表明,在220℃的高温环境下,0~600 kPa的测试压力范围内,传感器的输出电压-外部气压曲线呈现出良好的线性特征,线性范围大且迟滞性小,可望用于220℃恶劣环境下的压力测量。

厚膜电容式压力传感器

介绍一种厚膜电容式压力传感器,它以陶瓷弹性体和盖板为电容的电极,电极材料为钯银导体,传感器包括压力敏感芯片和电容—电压转换电路,该芯片是由两块能牢固键合成一体的基板组成,基板材料为96%Al2O3陶瓷。传感器量程为0～200kPa,电容值20pF,非线性0.3%,工作温度-20～+85℃,零点温漂小于200ppm/℃。具有易于批量生产、性能/价格比高等技术优势。

联动薄膜电容式压力传感器的特性分析与制备

工业领域中,目前研发的高精度MEMS压力传感器大多基于接触电容式结构,这种结构虽然一定程度上改善了普通电容式压力传感器的非线性问题,但其线性响应范围较小,限制了应用与开发,线性度也需要进一步提高。文中采用联动膜电容式压力敏感结构对其进行了研究与制作。基于有限元方法对压力敏感结构的响应特性进行了分析,仿真结果表明,该结构在增加线性响应范围和提高线性度方面表现出显著优势。试制了量程为100 kPa的样品芯片,测试结果表明,在25~100 kPa的压力范围内,样品芯片的灵敏度达到0.058 pF/kPa,其非线性度为4.83%FS。

充油MEMS压力传感器研制

设计了一种基于MEMS压力传感器芯片的充油芯体MEMS压力传感器。在不同的温度、压强环境下对传感器进行了系列实验测试,线性度达到0.2%左右,性能指标优良,可以应用于各种场合,包括恶劣的腐蚀性介质环境。

高性能硅基压力传感器产业技术研究

本文介绍了高性能硅基压力传感器及压力敏感芯片在国内各典型应用领域的日益凸显的重要地位,分析了国内外技术发展现状及国内存在的主要差距,详细阐述了本研究开展的各项技术研究内容、突破的各项核心关键技术以及实现的技术创新点,总结分析了本研究成果的技术水平、社会经济意义及应用推广前景.