压力传感器结构设计和优化分析

发布时间：2017-09-11 04:22

  本文关键词：压力传感器结构设计和优化分析

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【摘要】：压力传感器广泛应用于工业控制、生物医疗、环境检测、航空航天等领域,是工业实践中最为常用的一种传感器。在众多原理的压力传感器中,压阻式压力传感器由于制造工艺简单,具有良好的线性度,同时直接输出电压信号,并且简化了传感器与后续电路的接口问题等优点,占据了MEMS压力传感器的主流市场。当一个压力传感器从设计到加工制作,直到最后正式投入工业实践应用之前,为了确保加工制作出的传感器性能符合设计要求,必须先要经过测试、标定等一系列环节来研究分析及优化传感器的性能。传统的压力传感器检测方法是将压力传感器放置在压力箱,通过给压力箱设定不同的压力值,使得整个压力箱中的压力满足测试条件,利用这一方法来模拟实际压力环境。针对传统检测方法,本文首次提出了将静电力应用于压力传感器的检测环节,有效地解决了压力传感器传统检测及标定效率低、耗时长的缺点。本文对设计加工出的压阻式气压传感器进行测试,实验测得本次气压传感器的灵敏度为1.77mV/hPa,非线性度为1.19%,各项实验结果表明压阻式压力传感器具有良好的线性、重复性和迟滞特性。同时,用静电检测结构进行测试,测试结果表明,对于本结构尺寸的气压传感器,静电检测可以在量程110hPa-500hPa内代替气压箱施加气压变化,测得气压传感器在静电力作用下的传感器特性。在此基础上,对传感器的特性进行进一步分析,也提出了改进的方法。本论文主要完成的工作分为四个部分：1.针对本文提出的复合膜压阻式传感器结构,进行理论建模,给出了周边固支可动电极在驱动电压作用下静电力的数学解析模型,并进行结构优化分析。2.用ANSYS有限元仿真软件对压阻式压力传感器结构进行建模仿真,其中包括弹性复合敏感膜在外加压力负载作用下的挠度与应力分布。同时,仿真分析了弹性复合敏感膜在静电力作用下的挠度与应力分布,分析施加外力与静电力之间的关系,验证数学解析模型。3.基于华润上华MEMS加工现状及中科院纳米所纳米加工平台的工艺设备,提出了一条基于倒装焊的静电检测气压传感器工艺设计方案,加工制作出气压传感器及其检测结构。4.对气压传感器的工作性能进行传统测试与静电检测分析。实验结果显示,在110hPa-500hPa量程内静电力可以代替压力。测得本次气压传感器的灵敏度为1.77mV/hPa,非线性度为1.19%,极大地缩短了测试时间,提高了稳定性。
【关键词】：压力传感器 压阻式 静电力 倒装焊
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-23
• 1.1 引言9
• 1.2 压力传感器的发展历史9
• 1.3 压力传感器的应用9-10
• 1.4 压力传感器的分类10-17
• 1.4.1 压阻式压力传感器10-11
• 1.4.2 电容式压力传感器11-13
• 1.4.3 压电式压力传感器13-14
• 1.4.4 伺服控制压力传感器14-15
• 1.4.5 谐振式压力传感器15-16
• 1.4.6 CMOS集成压力传感器16
• 1.4.7 小结16-17
• 1.5 压力传感器的技术指标17-18
• 1.6 压力传感器的检测方法18-21
• 1.6.1 静电力19-20
• 1.6.2 典型静电驱动器件20-21
• 1.7 本论文的主要工作21-23
• 第二章 压阻式压力传感器及检测结构的理论分析23-43
• 2.1 压阻式压力传感器的工作原理23-25
• 2.2 传感器结构的理论模型分析25-30
• 2.2.1 薄膜小挠度理论分析25
• 2.2.2 薄膜的挠度和应力分析25-30
• 2.3 压阻式压力传感器测试结构的理论分析30-37
• 2.3.1 静电力30-31
• 2.3.2 平板电极静电力计算31-37
• 2.4 压阻式压力传感器及其检测结构的设计与仿真37-42
• 2.4.1 压阻式压力传感器及其检测结构设计37
• 2.4.2 压阻式压力传感器及其检测结构仿真37-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第三章 压力传感器及其检测结构的制备43-55
• 3.1 压力传感器及其检测结构的工艺流程43-45
• 3.2 压力传感器及其检测结构的版图设计45-49
• 3.2.1 压敏电阻条及检测下电极版图设计45-46
• 3.2.2 重掺杂区版图设计46
• 3.2.3 引线引出区版图设计46-47
• 3.2.4 引线及PAD版图设计47
• 3.2.5 空腔区版图设计47-48
• 3.2.6 检测电极及PAD版图设计48
• 3.2.7 金属铟凸点版图设计48-49
• 3.3 主要工艺讨论49-51
• 3.3.1 光刻49-50
• 3.3.2 离子注入50
• 3.3.3 自停止腐蚀50
• 3.3.4 金属剥离50-51
• 3.3.5 倒装焊51
• 3.4 压力传感器及其检测结构样品51-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第四章 压阻式压力传感器性能测试分析55-63
• 4.1 压力传感器测试系统55-59
• 4.1.1 测试系统硬件设计55-57
• 4.1.2 测试系统软件设计57-59
• 4.2 压力测试环境59
• 4.3 压力传感器测试结果和分析59-61
• 4.3.1 灵敏度与非线性度59-60
• 4.3.2 重复性60
• 4.3.3 回滞特性60-61
• 4.4 静电力结果分析61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 总结与展望63-65
• 5.1 工作总结63
• 5.2 工作展望63-65
• 致谢65-67
• 参考文献67-71
• 作者简介71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 李新;龙婉艺;;压力传感器混合信号调理电路的设计[J];仪表技术与传感器;2013年10期

2 刘红艳,万关良,闫志瑞;硅片清洗及最新发展[J];中国稀土学报;2003年S1期

3 王阳元,武国英,郝一龙,张大成,肖志雄,李婷,张国炳,张锦文;硅基MEMS加工技术及其标准工艺研究[J];电子学报;2002年11期

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本文编号：828598