High-pressure and high-temperature sintering of pure cubic silicon carbide:A study on stress-strain and densification

Silicon carbide(SiC)is a high-performance structural ceramic material with excellent comprehensive properties,and is unmatched by metals and other structural materials.In this paper,raw SiC powder with an average grain size of 5μm was sintered by an isothermal-compression process at 5.0 GPa and 1500?C;the maximum hardness of the sintered samples was31.3 GPa.Subsequently,scanning electron microscopy was used to observe the microscopic morphology of the recovered SiC samples treated in a temperature and extended pressure range of 0-1500?C and 0-16.0 GPa,respectively.Defects and plastic deformation in the SiC grains were further analyzed by transmission electron microscopy.Further,high-pressure in situ synchrotron radiation x-ray diffraction was used to study the intergranular stress distribution and yield strength under non-hydrostatic compression.This study provides a new viewpoint for the sintering of pure phase micron-sized SiC particles.

高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器的研究

针对高端领域对高性能微小量程压力传感器的迫切需求,设计并实现了一种应用于电子血压计的高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,并提出了相应的检测电路。根据小挠度弯曲理论设计了传感器方形敏感薄膜结构,确定了纳米硅薄膜压敏电阻的阻值大小和尺寸。采用ANSYS有限元分析(FEA)对所设计的传感器结构进行仿真,根据仿真结果确定了压敏电阻在膜片上的最佳放置位置。基于标准MEMS制造技术,在SOI基纳米硅薄膜上设计并实现了该压力传感器。实测结果表明,室温下,在0~40 kPa微压测量范围内所设计的传感器检测灵敏度可达0.45 mV/(kPa·V),非线性度达到0.108%F.S。在-40℃~125℃的工作温度范围内,温度稳定性好,零点温度漂移系数与灵敏度温度漂移系数分别为0.0047%F.S与0.089%F.S。所设计的压力传感器及其检测电路,在现代医疗、工业控制等领域具有较大的应用潜力。

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。

扩散硅压力传感器失效研究

扩散硅压力传感器具有精度高、利于小型化和智能化等特点而被广泛使用。针对该类传感器出现的不同失效模式,合理采用X射线检测系统、OBIRCH定位、荧光定位和SEM&EDS等技术,可以快速准确地定位失效位置。列举了芯片破裂、过电击穿、腐蚀迁移和连接不良等典型的失效案例,并介绍了在实际分析过程中如何应用上述定位分析手段,对分析类似失效案例起到了一定的参考作用。

可靠性强化试验在硅压力传感器上的应用

可靠性强化试验是一项不同于传统可靠性模拟实验的激发式试验技术,它的理论依据是故障物理学,通过发现、研究和根治故障达到提高可靠性的目的。文中在对硅压力传感器失效模式和失效机理调研的基础上,对其进行温度、振动可靠性强化试验研究。通过基于传统设备的高温、低温、振动步进及高温、振动恒定试验,使产品设计和工艺缺陷得以暴露,并提出相关改进措施。

硅压力传感器振动可靠性试验与评估分析

以硅压力传感器为研究对象,文中在对该压力传感器失效模式和失效机理调研的基础上,建立了压力传感器在振动应力作用下的失效物理方程,进行了以振动应力为加速因子的恒定应力加速寿命试验;结果表明,在振动应力作用下,传感器的失效物理方程为逆幂律模型;经对试验数据进行统计分析,求得了传感器在振动应力作用下的可靠性参数估计值及加速寿命方程lnη=-6.46034-4.73856lnS;通过对传感器进行可靠性评估,得出了传感器的平均寿命和可靠寿命分别为53246小时和23248小时。

绝缘体上硅高温压力传感器研究

采用有限元分析工具ANSYS完成了一种矩形弹性膜绝缘体上硅(SOI)高温压力传感器的优化设计,制作出样品,并与相同结构、工艺的多晶硅压力传感器进行了对比测试.结果表明:1∶2的膜片宽长比可以使SOI压力传感器的灵敏度达到220mV/MPa,远大于多晶硅压力传感器的灵敏度(约50mV/MPa).此外,该传感器能够工作在200℃的高温环境中,有良好的长期稳定性,30d内的零点时间漂移为0 12%.

硅压力传感器基座受力变形时的输出性能

为分析硅压力传感器基座受力变形对传感器输出性能的影响,首先利用弹性力学理论和板壳理论分析推导了压力传感器方形膜片应力分布,为力敏电阻在应变膜上的布置提供依据;再利用ANSYS进行分析模拟,探究了传感器基座结构变形对应变膜应力差的影响;然后针对减小基座受力变形对芯片受力的影响,对基座结构进行适当优化,并对比仿真分析的结果;最后通过实验测得优化前后的传感器输出数据.结果表明,传感器基座结构优化后,传感器硅芯片中心最大变形量从2.172μm降低到1.819μm,输出误差从0.95%下降到0.60%.

一种小量程应变式压力传感器结构设计

提出了一种新型的梁膜结构,其体积较小、应力集中效应明显,特别适合作小量程应变式压力传感器。通过有限元分析发现,当膜片厚度与梁厚度为某一比值时,膜片中心应力值最大,而位移量较小,即传感器灵敏度较大,而非线性较小。设计的传感器样品的灵敏度达0.5 mV/V,总精度优于0.1%F.S。

SOI高温压阻式压力传感器的设计与制备

设计并制备了一种基于绝缘体上硅（SOI）材料、量程为5Pa～1．8MPa的压阻式压力传感器。在设计方面，通过有限元分析软件和经典理论相结合分析敏感膜片的力学性能和电学性能，得到敏感膜片的尺寸和表面电势的分布；在工艺方面，设计了基于标准微电子机械系统（MEMS）工艺的制作流程；在芯片的封装方面，为保证敏感芯片与外界的电气互连，采用了引线键合工艺，同时装配温度补偿电路和信号调理电路降低了传感器的温漂，保证传感器的输出。制备后的压力传感器在温度压力复合平台进行标定和温度测试，结果显示传感器在设计量程范围内具有较好的精度并且可在-50-205℃内稳定工作。

基于SOI岛膜结构的高温压力传感器

针对绝缘体上硅（SOI）压力传感器平模结构下压敏电阻所在区域应力跨度过大而导致的线性度降低问题,采用了岛膜结构改善敏感膜片表面的应力分布,使压敏电阻能够完全布置在应力集中区,从而提高传感器的灵敏度和线性度。使用有限元分析软件对岛膜结构进行力学性能分析,根据敏感膜片表面应力分布情况确定压敏电阻最优的位置分布,并完成敏感芯片的制备。对完成的敏感芯片进行封装并进行温度-压力的复合测试,测试结果表明在19~200℃、量程2 MPa范围内,该传感器有较高的灵敏度（0.055 mV/kPa）和线性度（0.995）。

基于步进应力加速寿命试验的硅压力传感器寿命预测

通过提高硅压力传感器的高温环境应力,研究制定了其加速寿命试验的设计方案,进行了步进应力加速寿命试验。利用线性回归方法完成了试验数据的统计和分析,应用威布尔分布函数描述其寿命分布并完成了常温应力下的寿命预测。研究结果表明,试验设计方案是正确可行的,硅压力传感器的寿命服从威布尔分布,其加速模型符合阿伦尼斯方程,加速参数的精确计算确保以后在很短的时间内便可估算出在正常应力下的寿命。

扩散硅压力传感器长期稳定性提升试验方法研究

扩散硅压力传感器结构简单、集成度高、批量制造兼容性强,是目前MEMS领域研究最多的传感器类型,该类传感器面向航空航天等高端应用的最大技术瓶颈是封装后的传感器长期稳定性,因此相关长期稳定性提升技术已成为学术界和产业界广泛关注的共性关键技术。采用控制变量法和正交试验法,对比评价了疲劳脉动、冷热循环和振动时效三种常用长期稳定性提升技术对扩散硅压力传感器的作用效果。对比试验结果表明,三种技术均可改善扩散硅压力传感器的长期稳定性,且存在较优的环境应力参数组合,使传感器稳定性较试验前提升90%以上。本文的研究成果对各类硅压力传感器的长期稳定性提升具有较好的借鉴意义。

ST切型石英膜片的应力分析

通常石英膜片的应力分布是根据弹性力学薄板弯曲理论分析得到的,但所选模型及边界条件相对简单,不能满足实际工程的需要。文中的ST切型石英膜片的边界条件复杂,用弹性力学薄板弯曲理论是很难得出结果的,为此采用了有限元法对ST切型石英膜片进行应力分析,并根据其应力分布规律,得出合理安放SAW(表面波)谐振器的位置。

复合纤维材料中压力传感器的应力分析和优化

在流量控制系统中,需要在由复合纤维材料制成的机翼中嵌入压力传感器。由于机翼结构会对压力传感器的性能产生影响,因此,通过有限元分析软件对该模型在一定拉力作用下的应力情况进行模拟,发现在压力传感器的边缘出现了应力集中。通过3种改进设计,可以降低或者消除应力集中,即对传感器的4个外直角进行倒棱操作;将传感器旋转45°后嵌入;在传感器外围黏合铝合金薄片。在对上述3种优化方法进行有限元分析模拟后,发现在传感器外围黏合铝合金薄片有效提高了传感器的抗拉强度,消除了应力集中。

择优生长的多晶硅压阻统计理论

本文报道了计算择优生长的多晶硅压阻灵敏度的统计平均理论,由此得到了〈100〉、〈110〉〈111〉、〈211〉、〈311〉、〈331〉等低指数晶向择优生长的p型和n型多晶硅的平均晶粒压阻系数.将这些结果应用到具有多重择优晶向的多晶硅材料,经过计算可进一步得到多晶硅力敏电阻的灵敏度.对于制作在矩形膜中心区域的一系列多晶硅电阻,实验得到的结果与理论分析的结果符合得很好.这些结果为多晶硅压阻型压力传感器的设计提供了有效的手段.

薄膜压力传感器混凝土柱压力监测可行性研究

针对混凝土结构压力传递的监测需求,提出使用薄膜压力传感器进行压力监测的方法。介绍嵌入薄膜压力传感器的混凝土柱制作流程,并对其进行循环加载和破坏加载试验;通过有限元仿真分析薄膜压力传感器在标准棱柱体中的受力情况。分析结果表明:将薄膜压力传感器嵌入到150 mm×150 mm×300 mm标准棱柱体中,在450 kN循环荷载下,试验机实际施加的压力值与混凝土压力计算值相关系数大于96%;破坏加载时,混凝土在荷载值为680 kN时进入塑性阶段,此时混凝土压力计算值曲线变缓,传递到传感器的压力小于实际荷载;仿真分析中,混凝土应力和混凝土压力计算值变化趋势一致,薄膜压力传感器在混凝土柱中可基本反映混凝土的压力情况。综合研究表明,薄膜压力传感器用于混凝土结构压力传递监测具有一定可能性。

扩散硅力敏器件CAD技术的研究——结构应力分析

本文介绍在IBM系列及其兼容系列微型机上,实现硅压力传感器中硅杯结构的应力分析方法和软件.该软件对微机软、硬件资源的要求很低,能对包括工艺误差在内的各种复杂的硅杯结构绘出准确的应力分析图.

SOI压力传感器阳极键合残余应力研究

绝缘体上硅(SOI)压力传感器通常采用阳极键合实现圆片级气密封装,硅片和硼硅玻璃片通过阳极键合技术在360℃左右形成可靠的结合。硅片和硼硅玻璃片的热膨胀系数不能完全匹配,降温后的硅—玻璃圆片必然会存在残余应力。残余应力直接影响传感器性能、稳定性和可靠性。建立了残余应力计算模型,分析了残余应力与硼硅玻璃片厚度的关系;完成了键合试验,通过测量圆片曲率半径得到了弯曲应力的量值,验证了通过调整玻璃片厚度实现应力匹配的方法。样品测试结果表明:通过应力匹配减小了工艺残余应力,有效提高了压力传感器的长期稳定性。

无引线封装的SOI压阻式压力传感器设计

在SOI晶圆材料的基础上,设计了压力敏感结构,提高了传感器的高温稳定性;采用敏感芯片背孔引线技术,将硅敏感芯片的正面和硼玻璃进行气密性阳极键合,通过在硼玻璃对应位置加工电极连接孔,实现芯片电极与外部管脚的电气连接,形成无引线封装结构;利用ANSYS软件对敏感芯片进行了力学仿真,对高温敏感芯体进行了热应力分析,完成了无引线封装结构的优化及制作。通过性能测试,该传感器测量范围为0~0.2 MPa,灵敏度为55.0 m V/MPa,非线性误差小于0.2%。