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(dǎo)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(dāng)前和今后一段時(shí)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(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境中壓力的高精度測量，本論文設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jì)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(diǎn)、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(dǎo)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(jì)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(shí)驗(yàn)性研究提供理論依據(jù)。
　　 三、將錢偉長中心撓度攝動(dòng)法應(yīng)用于傳感器膜片的大撓度變形理論分析。對(duì)于上凹槽膜片接觸變形，采用最大撓度攝動(dòng)法對(duì)環(huán)形板大撓度變形進(jìn)行求解；對(duì)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(jìn)行求解。傳感器膜片變形解析解與有限元數(shù)值解的相對(duì)誤差在1.2％以內(nèi)。對(duì)傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合有限元模擬分析，表