SiC高温压力传感器综合应力仿真及可靠性分析
发布时间：2021-01-21 11:10
由于硅材料的性能限制,硅基压力传感器无法正常工作在大于120℃的高温环境,然而SiC电容式压力传感器具有灵敏度高、温度性稳定和鲁棒性强等特点,使其能够应用于600℃的高温环境。尽管SiC电容式压力传感器已经应用到在极端恶劣测量环境中,但极少对其进行综合应力研究和失效机理分析。本文主要从高线性度SiC圆柱结构电容式压力传感器的设计和分析、SiC电容式压力传感器综合应力仿真分析和失效机理分析三个方面来对传感器进行研究。首先,为了提高电容式压力传感器的线性度,设计了一种高线性度SiC圆柱结构电容式压力传感器模型（TCCPS model）。TCCPS model采用二氧化硅材料作为介质接触层,可解决随着压力增大,极距减小导致的线性度较小的问题。研究发现,TCCPS model在非接触状态下灵敏度伟0.9011,在接触状态下的灵敏度为0.9708。可知圆柱结构SiC电容式压力传感器具有很高的线性度和鲁棒性。其次,采用ANSYS有限元分析软件,分别对芯片级和封装传感器开展了综合应力仿真分析。单一应力包括温度、压力和冲击;多应力耦合主要包括温度与压力耦合以及温度、压力和振动的综合应力。通过仿真得到传...
【文章来源】： 杨荣森 电子科技大学
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柏林工业大学6H-SiC压力
第一章绪论5可以解决热膨胀系数不匹配的问题，从而能够减小高温下的热应力，但是于SiC材料的压敏系数对温度比较敏感，导致温度稳定性差，高温下漏电流较大。NASA格林研究中心在早期就对SiC压阻式压力传感器方面开展深入的研究[10]，传感器芯片级结构如图1.4所示，其技术特点是：将6H-SiC作为基底材料，并进行同质外延掺杂，形成压阻层和pn结；采用了电化学刻蚀和ICP深刻蚀技术；在SiC感压膜上采用Ti(100nm)/TaSi2(400nm)/Pt(100nm)接触金属作为欧姆电极；采用AlN材料作为封装的基座，并提出了一种直接封装技术，不采用普通的导线连接，从而解决了封装热应力过大的难题。SiC压阻式压力传感器结构简单，目前在高温压力传感器研究方面有较多的成果，随着碳化硅材料深刻蚀技术的发展和封装技术的改进，SiC压阻式压力传感器逐渐被应用到农业、工业和国防的各个领域，压阻式传感器技术已经比较完善。1.3.3电容式压力传感器电容式压力传感器与压阻式传感器相比，具有高灵敏度、高温度稳定性和高响应度，国内高温电容压力传感器主要采用4H-SiC感压膜以及硅衬底制备而成，其结构如图1.5所示[2]，采用SiC晶片减薄抛光工艺制作感压膜，通过MEMS加工工艺，研制出SiC高温压力敏感元。2007年，凯斯西储大学的LiChen等人展示了完全采用3C-SiC制作而成的电容式高温压力传感器[9]。其实物图如图1.6所示，主要采用低温氧化物作为牺牲层来作为空腔，基底和感压膜均采用SiC材料，Si3N4作为绝缘层，通过ICP干法刻蚀出空腔，该传感器能够在574℃下工作。这种采用表面微机械加工制备的SiC薄膜温度稳定性较差，采用SiC体材料作为感压膜将图1.3柏林工业大学6H-SiC压力传感器芯片截面图1.4NASA格林中心6H-SiC压阻式传感器
动、冲击和正弦扫描等。因此，需要总结出国内外针对于传感器的综合应力研究动态，以便探索SiC电容式高温压力传感器的综合应力的研究方法。国外在传感器的原理、材料、结构、加工以及封装技术等传感器技术比较成熟，国外的研究者们对SiC压力传感器与相似结构的研究要集中在结构性能研究和可靠性研究。在传感器的性能和结构研究方面，西储大学主要对电容式压力传感器进行了研究，他们采用低应力、重掺杂的多晶的SiC材料作为敏感膜和衬底，在574℃下，带有封装结构的该传感器能够正常工作[14]，同时，在进一步的研究中，他们采图1.5航天长征火箭技术有限公司碳化硅电容压力传感图1.6美国西储大学全碳化硅电容压力传感器密封腔SEM图
【参考文献】：
期刊论文
[1]特种传感器现状趋势及对能力建设需求[J]. 李庆剑,王野,车静,陈信琦. 传感器与微系统. 2019(08)
[2]碳化硅压力传感器结构仿真及优化[J]. 李帅,王建平. 电子世界. 2017(22)
[3]4H-SiC MEMS高温电容式压力敏感元件设计[J]. 曹正威,尹玉刚,许姣,张世名,邹江波. 纳米技术与精密工程. 2015(03)
[4]MEMS接触电容式高温压力传感器的温度效应[J]. 郑志霞,冯勇建. 电子测量与仪器学报. 2013(12)
[5]机械动态与渐变可靠性理论与技术评述[J]. 张义民. 机械工程学报. 2013(20)
[6]基于matlab的1/3倍频程海洋环境噪声功率谱分析[J]. 朱凤芹,成印河. 科技信息. 2013(23)
[7]SiC高温电容压力传感器封装结构优化[J]. 屈晓南,胡明,张世名,尹玉刚. 计算机仿真. 2013(03)
[8]耐高温压力传感器研究现状与发展[J]. 张晓莉,陈水金. 传感器与微系统. 2011(02)
[9]碳化硅高温压力传感器的研究进展与展望[J]. 庞天照,严子林,唐飞,王晓浩. 噪声与振动控制. 2011(01)
[10]有限元分析的发展趋势[J]. 刘英魁. 中国新技术新产品. 2009(06)
硕士论文
[1]3C-SiC压阻式压力传感器研究[D]. 张克基.西安电子科技大学 2013
本文编号：2991051
【文章来源】： 杨荣森 电子科技大学
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柏林工业大学6H-SiC压力
第一章绪论5可以解决热膨胀系数不匹配的问题，从而能够减小高温下的热应力，但是于SiC材料的压敏系数对温度比较敏感，导致温度稳定性差，高温下漏电流较大。NASA格林研究中心在早期就对SiC压阻式压力传感器方面开展深入的研究[10]，传感器芯片级结构如图1.4所示，其技术特点是：将6H-SiC作为基底材料，并进行同质外延掺杂，形成压阻层和pn结；采用了电化学刻蚀和ICP深刻蚀技术；在SiC感压膜上采用Ti(100nm)/TaSi2(400nm)/Pt(100nm)接触金属作为欧姆电极；采用AlN材料作为封装的基座，并提出了一种直接封装技术，不采用普通的导线连接，从而解决了封装热应力过大的难题。SiC压阻式压力传感器结构简单，目前在高温压力传感器研究方面有较多的成果，随着碳化硅材料深刻蚀技术的发展和封装技术的改进，SiC压阻式压力传感器逐渐被应用到农业、工业和国防的各个领域，压阻式传感器技术已经比较完善。1.3.3电容式压力传感器电容式压力传感器与压阻式传感器相比，具有高灵敏度、高温度稳定性和高响应度，国内高温电容压力传感器主要采用4H-SiC感压膜以及硅衬底制备而成，其结构如图1.5所示[2]，采用SiC晶片减薄抛光工艺制作感压膜，通过MEMS加工工艺，研制出SiC高温压力敏感元。2007年，凯斯西储大学的LiChen等人展示了完全采用3C-SiC制作而成的电容式高温压力传感器[9]。其实物图如图1.6所示，主要采用低温氧化物作为牺牲层来作为空腔，基底和感压膜均采用SiC材料，Si3N4作为绝缘层，通过ICP干法刻蚀出空腔，该传感器能够在574℃下工作。这种采用表面微机械加工制备的SiC薄膜温度稳定性较差，采用SiC体材料作为感压膜将图1.3柏林工业大学6H-SiC压力传感器芯片截面图1.4NASA格林中心6H-SiC压阻式传感器
动、冲击和正弦扫描等。因此，需要总结出国内外针对于传感器的综合应力研究动态，以便探索SiC电容式高温压力传感器的综合应力的研究方法。国外在传感器的原理、材料、结构、加工以及封装技术等传感器技术比较成熟，国外的研究者们对SiC压力传感器与相似结构的研究要集中在结构性能研究和可靠性研究。在传感器的性能和结构研究方面，西储大学主要对电容式压力传感器进行了研究，他们采用低应力、重掺杂的多晶的SiC材料作为敏感膜和衬底，在574℃下，带有封装结构的该传感器能够正常工作[14]，同时，在进一步的研究中，他们采图1.5航天长征火箭技术有限公司碳化硅电容压力传感图1.6美国西储大学全碳化硅电容压力传感器密封腔SEM图
【参考文献】：
期刊论文
[1]特种传感器现状趋势及对能力建设需求[J]. 李庆剑,王野,车静,陈信琦. 传感器与微系统. 2019(08)
[2]碳化硅压力传感器结构仿真及优化[J]. 李帅,王建平. 电子世界. 2017(22)
[3]4H-SiC MEMS高温电容式压力敏感元件设计[J]. 曹正威,尹玉刚,许姣,张世名,邹江波. 纳米技术与精密工程. 2015(03)
[4]MEMS接触电容式高温压力传感器的温度效应[J]. 郑志霞,冯勇建. 电子测量与仪器学报. 2013(12)
[5]机械动态与渐变可靠性理论与技术评述[J]. 张义民. 机械工程学报. 2013(20)
[6]基于matlab的1/3倍频程海洋环境噪声功率谱分析[J]. 朱凤芹,成印河. 科技信息. 2013(23)
[7]SiC高温电容压力传感器封装结构优化[J]. 屈晓南,胡明,张世名,尹玉刚. 计算机仿真. 2013(03)
[8]耐高温压力传感器研究现状与发展[J]. 张晓莉,陈水金. 传感器与微系统. 2011(02)
[9]碳化硅高温压力传感器的研究进展与展望[J]. 庞天照,严子林,唐飞,王晓浩. 噪声与振动控制. 2011(01)
[10]有限元分析的发展趋势[J]. 刘英魁. 中国新技术新产品. 2009(06)
硕士论文
[1]3C-SiC压阻式压力传感器研究[D]. 张克基.西安电子科技大学 2013
本文编号：2991051
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