小量程MEMS电容式压力传感器设计与工艺研究

发布时间：2017-04-24 23:11

  本文关键词：小量程MEMS电容式压力传感器设计与工艺研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：研究小量程压力传感器的目的在于解决小量程压力环境下的压力测量问题。针对传统MEMS压力传感器在测量小量程压力时灵敏度会下降的问题,本文设计了一种小量程压力传感器。鉴于电容式传感器在测量小量程压力时的潜在优势,传感器采用电容结构,基于变间隙式平行板电容器的原理来测量压力。目前,利用表面微加工工艺来生产MEMS器件已经成为实现MEMS器件微型化、小成本、低功耗、集成化、智能化、系列化和标准化的重要途径。本文以表面微加工工艺为设计思路,提出了一种超薄压敏极板的制备方法。传感器压敏极板极板厚度仅为3μm,从而可以提高传统MEMS电容式压力传感器测量小量程压力时的灵敏度。本文对小量程MEMS电容式压力传感器的研究从下面三个方面进行:传感器的结构设计、传感器力学性能和电容响应的有限元分析仿真以及传感器芯片的工艺研究。以解决小量程压力测量的难点为目标和出发点,设计了传感器的整体结构;采用理论与仿真相互结合的研究方法,借助有限元分析软件模拟了传感器的性能;基于表面微加工工艺设计了传感器芯片的工艺制备流程,对其中的关键工艺进行了探索性实验,确定了具体的工艺参数,成功实现了复合薄膜的制备和牺牲层的腐蚀。对加工完成的芯片进行均匀加压测试,测试结果表明传感器的灵敏度可达0.007pF/kPa,为实现50kPa以下实际可用的小量程MEMS压力传感器打下坚实的理论和技术基础。
【关键词】：小量程 电容式 压力传感器 表面微加工工艺
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 选题背景及意义8-9
• 1.2 小量程MEMS压力传感器研究现状9-15
• 1.2.1 小量程MEMS压阻式压力传感器9-11
• 1.2.2 小量程MEMS电容式压力传感器11-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-17
• 2 小量程MEMS电容式压力传感器理论分析及结构设计17-27
• 2.1 传感器工作原理17
• 2.2 压敏极板力学性能分析17-18
• 2.3 传感器机电性能分析18-20
• 2.4 小量程MEMS电容式压力传感器研制难点20-21
• 2.5 传感器结构设计21-25
• 2.5.1 传感器总体设计22-23
• 2.5.2 传感器尺寸设计23-25
• 2.6 本章小结25-27
• 3 小量程MEMS电容式压力传感器仿真分析27-35
• 3.1 压敏极板力学仿真27-32
• 3.1.1 压敏极板静力学分析28-30
• 3.1.2 压敏极板模态分析30-31
• 3.1.3 压敏极板谐响应分析31-32
• 3.2 传感器电容仿真32-34
• 3.2.1 传感器初始电容仿真32-33
• 3.2.2 传感器可变电容仿真33-34
• 3.3 本章小结34-35
• 4 小量程MEMS电容式压力传感器芯片工艺研究35-55
• 4.1 工艺流程设计35-38
• 4.2 ICPECVD制备复合薄膜工艺38-47
• 4.2.1 ICPECVD设备及工艺简介39-40
• 4.2.2 工艺参数对薄膜性能的影响40-43
• 4.2.3 ICPECVD制备SiO2/Si3N4薄膜43-46
• 4.2.4 工艺结果及讨论46-47
• 4.3 牺牲层腐蚀释放工艺47-51
• 4.3.1 牺牲层腐蚀释放工艺简介47-48
• 4.3.2 SiO2牺牲层腐蚀与释放48-49
• 4.3.3 牺牲层释放孔设计49-50
• 4.3.4 工艺结果及讨论50-51
• 4.4 传感器芯片测试51-54
• 4.4.1 测试方案介绍51-52
• 4.4.2 测试结果及讨论52-54
• 4.5 本章小结54-55
• 5 总结与展望55-57
• 参考文献57-61
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文61-62
• 致谢62-63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王心心;梁庭;熊继军;贾平岗;王涛龙;刘雨涛;张瑞;;ICPECVD制备氮化硅薄膜工艺的研究[J];仪表技术与传感器;2016年02期

2 张瑞;梁庭;贾平岗;刘雨涛;王涛龙;王心心;熊继军;;基于CMOS-MEMS工艺的小量程电容式压力传感器设计[J];仪表技术与传感器;2016年01期

3 刘雨涛;梁庭;张瑞;王涛龙;王心心;熊继军;;ICPECVD法低温制备氧化硅薄膜的致密性[J];微纳电子技术;2015年12期

4 张瑞;梁庭;熊继军;刘雨涛;王心心;王涛龙;;小量程MEMS电容式压力传感器的研究与发展[J];电子技术应用;2015年07期

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本文编号：325158