SiC电容式高温压力传感器结构设计及其失效机理研究
发布时间：2021-01-22 22:26
科技发展日新月异,在航空航天、石油、汽车等领域及重大工程项目中均离不开压力传感器的应用。由于碳化硅在高温下具有良好的机械性能和电化学稳定性,以碳化硅为材料的压力传感器逐渐成为研究热点。而电容式压力传感器因其具有灵敏度高、动态响应快、高温下性能稳定等优点而被广泛应用于高温下的压力监测。本文首先对电容式压力传感器传感器进行了结构设计、建模和仿真分析,提出了一种倒圆锥空腔型器件新结构（ICCPS）,该结构具有优于普通压力传感器的接触模式,可实现更高的电容灵敏度及更大的线性工作范围。利用控制变量法分别研究了感压膜厚度和绝缘层厚度对传感器电容特性的影响,研究表明,在0到1MPa的外界压力条件下,ICCPS传感器的电容值最高可达120pF,而CPS传感器的最大电容值仅为27pF;而且ICCPS传感器的的接触点压力更小,使得器件的线性工作范围拓展了0.2MPa;同时还发现ICCPS传感器的电容灵敏度亦有明显提升,幅度可达114.1%。其次,利用Ansys仿真软件深入研究了在室温到600℃和0到0.4MPa压力范围内传感器应力应变与温度、压力的影响关系。通过有限元法模拟分析了压力传感器在变温和变压条件...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
西储大学硅基电容式SiC高温压力传感器结构
电子科技大学硕士学位论文8第二章电容式压力传感器相关原理和理论2.1平行板电容器如图2-1所示，对于电容式压力传感器来说，主要考虑的就是传感器受到外界压力后，空腔上方的感压膜发生形变，导致传感器的电容发生变化。又因为空腔以外的部分虽然也存在电容，但因其是固定电容，不随外界压力的变化而变化，所以不在本章的研究范围之内。图中感压膜和衬底都是SiC，二氧化硅作为绝缘层存在，同时也是传感器制备时真空键合的条件之一。图2-1电容式压力传感器结构示意图(a)当外界压力为0时;(b)当外界压力使得感压膜与衬底接触时在外界压力为0的时候，感压膜应该和衬底平行。此时的传感器就完全是一个平行板电容器，电容值的计算也完全依赖于平行板电容器公式。如公式(2-1)到公式(2-4)所示，C整个传感器结构的电容值，C1代表的是非空腔部分的环带电容，为固定值，只与传感器的结构参数和材料属性有关，与外界压力无关，其计算公式如式(2-2)所示。式中ε是二氧化硅绝缘层的相对介电常数，S是环带的面积，h2是二氧化硅绝缘层的厚度。如(2-2)所示，对于环带部分的面积S，将整个传感器芯片的面积减去空腔部分的面积即可得到。式中rp是指整个传感器芯片的半径，r是空腔半径。如(2-4)所示，C2代表的是空腔部分的电容，这部分电容会随着外界压力的增大而增大，也是本章节主要研究的内容，式中εx是二氧化硅绝缘层和空腔层的等效介电常数，d(x)代表的是感压膜受到压力后感压膜与衬底之间的距离，即受压后的实际空腔高度。=1+2(2-1)1=02(2-2)=(22)(2-3)
电子科技大学硕士学位论文14=2+(2-9)=2=(2-10)得到测试数据之后，再结合上述公式，就可以计算出LT、RC和RSH，从而就能计算得到接触电阻ρc。公式中LT指的是大部分电流流经的接触长度，也就是电流密度下降到电流密度初始值的1/e处。也就是说，在进行计算时，式中LT范围内的接触面积才能被看成是有效的，所以比接触电阻ρc与LT的关系成正比。即LT越大，ρc越大。TLM结构的优点是测试准确，计算简单，但它的缺点是在测试的适合必须进行台面隔离，需要两次光刻以及刻蚀工艺，工艺复杂度较高。图2-2矩形传输线法测试比接触电阻(a)结构模型;(b)阻值与d的关系;(c)等效电路模型圆形传输线法CTLM相比TLM简化了工艺步骤，仅仅需要一次光刻即可完成。虽然制作步骤很简单，但缺点也很明显，那就是计算过程比较复杂。另外，这种计算方法对各圆形环的半径的精度要求极高，数据上再微小的误差就会造成最终比接触电阻的计算结果有很大的误差。由于CTLM计算比接触电阻的方法对光刻的精度要求极高，所以并没有得到广泛应用。下面介绍一种与传输线模型截然不同的计算比接触电阻的方法，叫做四探针法。四探针法的计算模型由四个半径大小相同且等间距的圆形电极组成，如图2-3所示。四探针法测试要求电极间距要远大于圆形电极的尺寸，且需要在电极A与D之间通以一个恒定电流Iad，然后测量电极A与电极B之间的电压Vab以及电极B与电极C之间的电压Vbc。比接触电阻的计算公式如(2-11)所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于MEMS器件失效机理的讨论[J]. 陈天佐,张琦,任德洁. 电子产品可靠性与环境试验. 2018(01)
[2]弹性薄板小挠度理论在工程设计中的应用举例[J]. 徐洪涛,关飞飞,周尚武. 结构工程师. 2016(02)
[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]倒岛膜凹槽电容式压力传感器设计与特性分析[J]. 肖丽仙,何永泰,彭跃红,刘晋豪. 电子元件与材料. 2014(07)
[5]基于SOI的硅微谐振式压力传感器芯片制作[J]. 马志波,姜澄宇,任森,苑伟政. 传感技术学报. 2012(02)
[6]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)
[7]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)
[8]压力传感器的现状与发展[J]. 郭冰,王冲. 中国仪器仪表. 2009(05)
[9]现代传感器发展方向[J]. 孙圣和. 电子测量与仪器学报. 2009(01)
[10]MOEMS压力传感器的研究进展[J]. 王仕超,张晓霞,王祥斌,周勇,陈沛然,冷洁. 红外. 2008(11)
博士论文
[1]金属/SiC半导体接触的SiC表面等离子体改性研究[D]. 黄玲琴.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]4H-SiC欧姆接触的高温电学特性研究[D]. 郭涛.西安电子科技大学 2017
[2]基于随机振动的航天用高压电源应力仿真及失效分析[D]. 刘高锋.哈尔滨工业大学 2016
[3]MEMS器件分层失效的强化试验技术研究[D]. 张亚君.国防科学技术大学 2014
[4]SiC基无线高温压力传感器设计与制备工艺[D]. 李颖.中北大学 2014
[5]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
[6]碳化硅高温压力传感器设计与工艺实验研究[D]. 严子林.清华大学 2011
本文编号：2994013
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
西储大学硅基电容式SiC高温压力传感器结构
电子科技大学硕士学位论文8第二章电容式压力传感器相关原理和理论2.1平行板电容器如图2-1所示，对于电容式压力传感器来说，主要考虑的就是传感器受到外界压力后，空腔上方的感压膜发生形变，导致传感器的电容发生变化。又因为空腔以外的部分虽然也存在电容，但因其是固定电容，不随外界压力的变化而变化，所以不在本章的研究范围之内。图中感压膜和衬底都是SiC，二氧化硅作为绝缘层存在，同时也是传感器制备时真空键合的条件之一。图2-1电容式压力传感器结构示意图(a)当外界压力为0时;(b)当外界压力使得感压膜与衬底接触时在外界压力为0的时候，感压膜应该和衬底平行。此时的传感器就完全是一个平行板电容器，电容值的计算也完全依赖于平行板电容器公式。如公式(2-1)到公式(2-4)所示，C整个传感器结构的电容值，C1代表的是非空腔部分的环带电容，为固定值，只与传感器的结构参数和材料属性有关，与外界压力无关，其计算公式如式(2-2)所示。式中ε是二氧化硅绝缘层的相对介电常数，S是环带的面积，h2是二氧化硅绝缘层的厚度。如(2-2)所示，对于环带部分的面积S，将整个传感器芯片的面积减去空腔部分的面积即可得到。式中rp是指整个传感器芯片的半径，r是空腔半径。如(2-4)所示，C2代表的是空腔部分的电容，这部分电容会随着外界压力的增大而增大，也是本章节主要研究的内容，式中εx是二氧化硅绝缘层和空腔层的等效介电常数，d(x)代表的是感压膜受到压力后感压膜与衬底之间的距离，即受压后的实际空腔高度。=1+2(2-1)1=02(2-2)=(22)(2-3)
电子科技大学硕士学位论文14=2+(2-9)=2=(2-10)得到测试数据之后，再结合上述公式，就可以计算出LT、RC和RSH，从而就能计算得到接触电阻ρc。公式中LT指的是大部分电流流经的接触长度，也就是电流密度下降到电流密度初始值的1/e处。也就是说，在进行计算时，式中LT范围内的接触面积才能被看成是有效的，所以比接触电阻ρc与LT的关系成正比。即LT越大，ρc越大。TLM结构的优点是测试准确，计算简单，但它的缺点是在测试的适合必须进行台面隔离，需要两次光刻以及刻蚀工艺，工艺复杂度较高。图2-2矩形传输线法测试比接触电阻(a)结构模型;(b)阻值与d的关系;(c)等效电路模型圆形传输线法CTLM相比TLM简化了工艺步骤，仅仅需要一次光刻即可完成。虽然制作步骤很简单，但缺点也很明显，那就是计算过程比较复杂。另外，这种计算方法对各圆形环的半径的精度要求极高，数据上再微小的误差就会造成最终比接触电阻的计算结果有很大的误差。由于CTLM计算比接触电阻的方法对光刻的精度要求极高，所以并没有得到广泛应用。下面介绍一种与传输线模型截然不同的计算比接触电阻的方法，叫做四探针法。四探针法的计算模型由四个半径大小相同且等间距的圆形电极组成，如图2-3所示。四探针法测试要求电极间距要远大于圆形电极的尺寸，且需要在电极A与D之间通以一个恒定电流Iad，然后测量电极A与电极B之间的电压Vab以及电极B与电极C之间的电压Vbc。比接触电阻的计算公式如(2-11)所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于MEMS器件失效机理的讨论[J]. 陈天佐,张琦,任德洁. 电子产品可靠性与环境试验. 2018(01)
[2]弹性薄板小挠度理论在工程设计中的应用举例[J]. 徐洪涛,关飞飞,周尚武. 结构工程师. 2016(02)
[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]倒岛膜凹槽电容式压力传感器设计与特性分析[J]. 肖丽仙,何永泰,彭跃红,刘晋豪. 电子元件与材料. 2014(07)
[5]基于SOI的硅微谐振式压力传感器芯片制作[J]. 马志波,姜澄宇,任森,苑伟政. 传感技术学报. 2012(02)
[6]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)
[7]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)
[8]压力传感器的现状与发展[J]. 郭冰,王冲. 中国仪器仪表. 2009(05)
[9]现代传感器发展方向[J]. 孙圣和. 电子测量与仪器学报. 2009(01)
[10]MOEMS压力传感器的研究进展[J]. 王仕超,张晓霞,王祥斌,周勇,陈沛然,冷洁. 红外. 2008(11)
博士论文
[1]金属/SiC半导体接触的SiC表面等离子体改性研究[D]. 黄玲琴.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]4H-SiC欧姆接触的高温电学特性研究[D]. 郭涛.西安电子科技大学 2017
[2]基于随机振动的航天用高压电源应力仿真及失效分析[D]. 刘高锋.哈尔滨工业大学 2016
[3]MEMS器件分层失效的强化试验技术研究[D]. 张亚君.国防科学技术大学 2014
[4]SiC基无线高温压力传感器设计与制备工艺[D]. 李颖.中北大学 2014
[5]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
[6]碳化硅高温压力传感器设计与工艺实验研究[D]. 严子林.清华大学 2011
本文编号：2994013
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/2994013.html
