多晶硅高温压力传感器

一、前言 现代航空、汽车发动机以及石油化工领域常常需要对200℃以上高温范围的压力进行检测。200℃以上温度工作的高温压力传感器一般可采用SOS或绝缘衬底上多晶硅结构制作,因为多晶硅薄膜压阻元件可淀积在各种低成本衬底上。

多晶硅高温压力传感器的温度特性

讨论了改善多晶硅高温压力传感器温度特性的 3种措施 :用四甲基氢氧化铵溶液代替氢氧化钾溶液作硅杯各向异性腐蚀剂 ;优化多晶硅压敏电阻的掺杂浓度 ,实现传感器灵敏度温度漂移自补偿 ;在传感器芯片上加做温敏电阻 ,通过调节激励源的温度特性 ,进一步减小传感器灵敏度温度系数 .采用以上措施 ,使多晶硅压力传感器有良好的高温稳定性 ,灵敏度温度系数绝对值小于 2× 10 -4/℃ .

多晶硅高温压力传感器的芯片内温度补偿

提出了一种新的改善传感器温度特性的方法。通过在压力传感器芯片上集成多晶硅电阻网络与温度传感器 ,借助传感器信号处理单元 ,可以方便地实现对灵敏度系数的补偿。经过补偿 ,传感器的零点温漂达到 1×10 - 4/℃ ,灵敏度温漂低于 - 2× 10 - 4/℃。这种方法补偿的温区宽 ,具有很强的通用性 ,使高温压力传感器十分有效的温度补偿方法。

基于AIN绝缘的多晶硅高温压力传感器设计

探讨了一种多晶硅高温压力传感器的设计方法,采用AlN作硅衬底和多晶硅力敏电阻条之间的电绝缘层,由于无p-n结,力敏电阻无反向漏电,使制作的压力传感器特性好。利用多晶硅材料在高温条件下能够表现出良好的压阻特性,考虑其纵横向压阻效应的不同,作了理论分析,在此基础上制作力敏电阻条。利用有限元分析方法,借助MARC软件,模拟了传感器承压弹性膜的应力场分布,确定了多晶硅力敏电阻条的位置和排列方式。并且施加10kPa压力时,模拟了不同膜厚t与对应的最大应力σ11的曲线;模拟了11方向主应力COMP11边缘中点应力为一特定值时所需压力PN与膜厚t的关系曲线。

一种多晶硅高温压力传感器

制作压力传感器时，在二氧化硅层上淀积多晶硅膜，既可利用硅优良的机械特性，又可保证压敏电阻与衬底间具有良好的绝缘性，由此可大大提高器件的温度特性。介绍了一种多晶硅压力传感器的原理和设计。实验结果表明，这类传感器具有灵敏度好、精度高等特点，电路工作范围为０～２５０°Ｃ，且具有良好的温度稳定性。

高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

基于高温压力传感器的耐高温金属体系

从制约高温压力传感器发展的耐高温金属体系研究出发,采用钨/氮化钽/铂(W/TaN/Pt)作为金属布线的电传导层,开发出适用于500 ℃高温环境下稳定工作的金属薄膜,实现电信号稳定传输,有效避免相邻金属层之间相互扩散或合金导致的电性能失效。对500 ℃高温前后的压力传感器进行带电测试,并对非线性、迟滞性、灵敏度、重复性等8项指标做了测试对比,高温压力传感器性能稳定,各性能指标均满足使用要求,证明该金属体系的可行性。

无引线封装的SOI高温压力传感器设计

为解决高温环境下的压力监测问题,对无引线封装压力传感器进行了研究。首先,对高温压力敏感芯片进行设计,使用绝缘体上硅(SOI)材料提高了敏感芯片的高温稳定性;使用Ti⁃Pt⁃Au复合电极提高了金属电极与硅引线之间欧姆接触的可靠性。使用导电银浆实现敏感芯片电极和基座引脚的电连接,使用玻璃浆料实现芯片与基座的耐高温封装。利用同步热分析仪对导电银浆和玻璃浆料进行了DSC⁃TG同步分析,并借助扫描电镜对其微观形貌进行对比观察,确定其最佳烧结工艺曲线。对封装后的压力传感器进行测试,结果表明:传感器在25~300℃范围内具备优异的性能,综合精度可达0.25%FS。

SiC高温压力传感器动态性能研究

面向航空发动机测试等恶劣复杂测试环境中动态压力测试需求,本文从芯片及封装结构设计、性能模拟仿真、器件制作工艺及传感器动态性能测试方面对碳化硅(SiC)高温压力传感器动态性能进行了系统研究。仿真结果表明:传感器频响为32.4kHz,上升时间为40μs。测试结果表明:传感器的频响不低于5kHz,上升时间为93μs。此传感器具有动态响应频率高、冲击信号响应速度快特点,为航空发动机内脉动压力测量提供了技术支持。

基于共晶焊技术的高温压力传感器无引线封装技术研究

针对MEMS高温压力传感器在高温特种环境下存在引线电学失效的不可靠性因素,制备了基于共晶焊技术的无引线封装SOI高温压阻式压力传感器。利用金锗合金焊料共晶焊接技术完成芯片与陶瓷基板的焊盘之间的连接。推力测试结果表明:其焊接强度最大值可达28.30 MPa,均值约为26.47 MPa。完成300℃环境下的老化后,其300℃高温环境下零点漂移为0.216%,时漂约为7.64μV/h。老化后常温静态压力测试线性度为0.126%,迟滞为0.136%,重复性为0.197%,均小于2‰,基本误差为0.433%。研究结果验证了金锗焊料共晶焊接制备无引线封装压力传感器的技术路线可行性。

MEMS高温压力传感器耐高温引线结构优化

绝缘体上硅(SOI)高温压力传感器可在高温(高于125℃)下工作。通常情况下构成惠斯通电桥的电阻单独处于压力敏感区,以提高其灵敏度,但在其工作期间压力传感器器件区电阻重掺区与金属引线连接处存在一定高度差,在加压加电高温环境下此处热应力变大,金属引线因过热而出现金属引线断裂或失效,无法满足高温需求。在此基础上研究了一种硅引线技术,使其与压敏电阻处于同一高度层,金属引线平铺在硅引线上端,经退火后形成良好的欧姆接触。实验测试表明,该方案能使压力传感器在300℃高温环境下正常工作,金属引线与电阻区连接完好,传感器敏感区应力降低接近50%,且优化后传感器灵敏度符合设计要求。

一种耐瞬时高温燃气冲击的压力传感器

针对瞬时高温燃气冲击的压力传感器在高温1000℃燃气压力冲击的环境下产生的破坏性的问题,设计了一种有效的引压方法,对引压管结构进行设计,在内部增加阻尼管,通过引入阻尼管,可以使与芯片接触的燃气温度降低至300℃以下,使传感器可靠工作。另外,通过引压系统内部的阻尼设计,可以使传感器能够承受较大瞬时燃气压力的冲击。通过试验验证及热力学仿真分析可以得出,该传感器引压系统的结构设计,可以使传感器能够满足瞬时高温燃气压力冲击的环境要求,达到精准测量的目的。

基于FBG的高温压力传感器设计与校准

针对弹药热安全检测中压力检测的需求,设计了一种基于光纤光栅的高温压力传感器。通过深入研究传感构型的弹性形变对光纤光栅输出信号波长的影响和作用机制,设计了传感器封装模型结构,并对其内部参数进行了优化设计。应用有限元建立了传感器封装结构的三维立体模型,通过对模型施加10 MPa载荷,实现了模型的受压仿真,仿真结果验证了传感器压力转换结构设计的合理性。同时以薄板小挠度变形理论为基础,计算出传感器的理论压力灵敏度,设计了传感器的温度补偿方式,进行了不同温度环境下的压力校准实验,得出了传感器在不同温度的压力灵敏度变化趋势,证明了该传感器在100~450℃环境压力测量以及温度补偿方法的有效性。

MEMS正装传感器复合钝化层高温可靠性的研究

绝缘体上硅(SOI)所制备的压阻式正装压力传感器可在高温下良好工作,但高温环境下电阻条和金属引线长期暴露在环境中易受到氧化和腐蚀,对传感器的输出造成影响,使电学性能发生变化甚至失效,为避免这种情况,通常在表面进行钝化处理。文中采用SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层对SOI正装传感器芯片进行钝化,并且对钝化层进行高温老化考核,模拟高温和恶劣环境,验证其高温可靠性。实验结果表明:按照SiO_(2)厚度为200 nm、Si_(3)N_(4)厚度为300 nm的SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层能在350℃高温下对正装传感器进行有效保护且电学性能完好,满足芯片在高温下可靠性的要求。

高温压力传感器无引线封装研究

针对高温压力传感器有引线封装在恶劣环境下的弊端,本文对无引线封装进行研究。首先,对无引线封装结构进行设计,并明确了适用无引线封装的高温压力敏感芯片结构;其次,研究了耐高温低应力气密封装工艺、低应力黏片工艺、无引线电气互联工艺,并实现工艺兼容。最后,将该无引线封装结构应用于高温压力敏感芯片,评估无引线封装效果。经测试,无引线封装结构漏率为10E-8 Pa·L/s,工作温度达300℃。本文的研究将拓展高温压力传感器应用领域,提高传感器恶劣环境的适应性及可靠性。

封装黏合层材料对碳化硅高温压力传感器性能的影响

高温微电子机械系统(MEMS)动态压力传感器常用于恶劣环境下的动态测试,其稳定工作受限于可靠的封装。通过有限元仿真软件对不同封装黏合层材料对传感器静、动态特性的影响进行研究。仿真结果表明,以无机高温胶作为黏合层材料的传感器在常温下固有频率为488.68 kHz、上升时间为60μs,600℃下灵敏度为73.41 mV/MPa,相比采用环氧树脂和玻璃黏合层材料的传感器,其抗冲击干扰性能及响应时间等动态性能具有一定优势。测试结果表明,在常温至300℃,以无机高温胶作为黏合层材料的传感器零点输出电压从2.16 mV升至7.45 mV,满量程输出电压由124.0 mV降至69.35 mV,与仿真结果有相同的趋势,为碳化硅高温压力传感器封装工艺黏合层材料选材提供了参考。

高温压力传感器用多晶硅-AlN-硅单晶基片

论述纳米多晶硅-氮化铝隔膜-硅单晶衬底基片的研制。此基片可供制造高温力学量传感器。其要点是在力敏电阻条与硅弹性膜之间利用AlN进行绝缘隔离。AlN与硅的热膨胀系数接近,附着力高,耐击穿性好。又具有高化学稳定性,高热导率,对于压力传感器的电桥散热特别有利,可解决压力传感器启动时的零点时漂。由于无P-N结,力敏电阻无反向漏电,因此用此基片制造的力学量传感器的特性好(零点电漂移及热漂移小、非线性小)。力敏电阻条由纳米多晶硅构成。利用在600℃退火Al诱导晶化能使溅射得到的非晶硅转化成纳米多晶硅。

多晶硅集成高温压力传感器研究

高温压力传感器因其特殊的应用环境而日益受到人们的重视 .一些特殊的材料如SiC、SOI等可以用来制作高温压力传感器 ,但是由于成本较高或加工难度大等原因 ,尚未得到广泛应用 .本文提出了一种新型的高温压力传感器 ,采用多晶硅作为压敏电阻 ,同时采用新的工艺措施与全耗尽CMOS放大电路集成在一起 ,将输出电压转换为 0～ +5V的输出信号 .通过模拟与投片实验 ,得到了优化的多晶硅注入浓度 ,从而使其压阻温度系数在 - 4 0℃～ 180℃范围内接近于零 .

MEMS多晶硅纳米膜压力传感器过载能力设计

针对MEMS压力传感器感压膜片受较大压力易发生断裂而导致传感器性能失效问题,提出了MEMS多晶硅纳米膜压力传感器过载能力设计的方法。采用厚度为80 nm多晶硅薄膜构建感压膜片结构,利用静态大变形和接触非线性有限元分析方法,分析感压膜片触底保护的腔体高度,在此基础上,进一步得出感压膜片尺寸与过载能力的关系,并重点讨论了不同传感器量程下改变膜片尺寸对过载能力的影响。仿真结果表明,所设计的1 MPa量程MEMS多晶硅纳米膜压力传感器,其过载能力8 MPa,为传感器量程8倍。本次研究为MEMS压力传感器的实际生产制备提供了新思路。

小体积高温纳米薄膜压力传感器的研制

在某发动机试车试验过程中,需要小体积高温压力传感器来实现压力参数测量。文章主要介绍小体积高温纳米薄膜压力传感器的研究,通过改进纳米薄膜敏感材料的合金成分,设计耐高温电极引线焊盘,优化传感器敏感电阻设计,研制出小体积250℃高温纳米薄膜压力传感器,通过性能测试,传感器精度高、稳定性好、抗震能力强,可以满足发动机试车试验压力参数测量要求。