高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真開題報(bào)告

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號：學(xué) 院、系：儀器與電子學(xué)院 專 業(yè)：微電子科學(xué)與工程設(shè)計(jì)題目：高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真指導(dǎo)教師: 2013 年 12月10 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述（1）選題的背景及意義高溫壓力傳感器作為微機(jī)電系統(tǒng)在民用工業(yè)和國防軍工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。例如，民用上可用于化工反應(yīng)釜和冶煉塔內(nèi)的壓力、高溫油井和各種發(fā)動機(jī)腔體內(nèi)的壓力測量；在軍事上可用于宇宙飛船和航天飛行器的姿態(tài)控制、高速飛行器或遠(yuǎn)程超高速導(dǎo)彈的飛行控制、噴氣發(fā)動機(jī)、火箭 、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等耐熱

2、腔體和表面各部分的壓力測1。在國家重大工程項(xiàng)目核電、大飛機(jī)、深空探測、載人航天遇到的超高溫壓測試的難題，主要原因在于在高溫環(huán)境下的彈性結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及電引線性能退化，導(dǎo)致傳統(tǒng)MEMS壓力傳感器無法正常工作。例如，常規(guī)的硅壓力傳感器只能120以下進(jìn)行壓力測量，超過120時(shí)，傳感器的性能會嚴(yán)重惡化以至完全失效，不能滿足高溫等惡劣環(huán)境下的壓力測量和自動化領(lǐng)域越來越高的測量精度要求，因此致使我國高溫壓力傳感器長期以來主要依賴進(jìn)口。當(dāng)前，我國正在積極進(jìn)行深空探測、載人航天、核電等領(lǐng)域的投資與建設(shè)，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的高溫壓力傳感測試技術(shù)不僅在當(dāng)前深空探測、載人航天、大飛機(jī)以及核電等國家重大工程中具有迫切的應(yīng)用需求，

3、同時(shí)，也是解決高溫、高壓惡劣環(huán)境下工程測量問題，突破裝備制造與精密控制的關(guān)鍵技術(shù)2。實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下壓力的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測量，也必將帶動我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、制造技術(shù)的進(jìn)步，提升我國在這一行業(yè)的整體水平與國際競爭力，必將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，發(fā)展基于新原理、新技術(shù)的超高溫環(huán)境（600）壓力測量方法具有重大的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)必要性。實(shí)現(xiàn)高溫惡劣環(huán)境下的MEMS壓力傳感測量的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1）壓力敏感結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題高溫環(huán)境沖擊使得壓力敏感結(jié)構(gòu)失效或溫度噪聲造成壓力信號不可檢測。例如MEMS中常用的硅膜片壓敏結(jié)構(gòu)，由于當(dāng)溫度上升到500以上時(shí)，硅材料發(fā)生蠕變變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變

4、化并失效3。（2）高溫惡劣環(huán)境下測量精確度問題傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器輸出阻抗高，負(fù)載能力差，寄生電容影響大。電容式傳感器的初始電容量很小,而傳感器的引線電纜電容測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降 低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作4。（2）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)為應(yīng)對常規(guī)擴(kuò)散硅壓力傳感器無法勝任高溫壓力測量的難題，國內(nèi)外多種采用半導(dǎo)體材料的高溫壓力傳感器5不斷出現(xiàn)，主要如：（1）多晶硅壓力傳感器多晶硅是半導(dǎo)體集成電路中廣泛采用的

5、薄膜材料，多晶硅壓力傳感器采用摻雜多晶硅膜做應(yīng)變膜，4個(gè)應(yīng)變電阻構(gòu)成惠斯通電橋，分布在單晶硅彈性膜的不同區(qū)域，獲得最大的應(yīng)變，多晶硅應(yīng)變因子較大，所以傳感器靈敏度高。目前國際上較為成熟的此類產(chǎn)品由儀表巨頭PHILIPS和Foxboro生產(chǎn)，國內(nèi)從事此類研究的單位有天津大學(xué)、電子部49所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，但傳感器僅限于實(shí)驗(yàn)室樣品6。（2）SOS壓力傳感器SOS藍(lán)寶石壓力傳感器是在80年代早期提出的一種應(yīng)變式壓力傳感器，通過在作為彈性體的藍(lán)寶石上異質(zhì)外延生長單晶硅膜7，采用半導(dǎo)體平面工藝制作硅應(yīng)變電橋。由于加工成本高，工藝復(fù)雜，且藍(lán)寶石材料硬度高，加工難度大，限制了傳感器的批量生產(chǎn)與推廣。（3）

6、SiC壓力傳感器SiC材料是典型的第三代半導(dǎo)體材料，具有寬禁帶結(jié)構(gòu)、高擊穿電壓和較高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，還具有優(yōu)良的抗輻射性能，由于原子鍵合能強(qiáng)，具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的溫度穩(wěn)定性和彈性性能，這使得它成為高可靠性MEMS器件、耐高溫傳感器件的最好材料8。SiC的彈性參數(shù)和斷裂韌度都具有非常高的值。（4）光纖壓力傳感器光纖優(yōu)良的抗電磁干擾能力，相對于其體積重量的巨大信息承載能力和安全性能，使其在傳感器技術(shù)上大有作為，利用光的調(diào)制原理，光纖已被用來制備幾乎所有類型的傳感器。通過光纖內(nèi)調(diào)制光的相位、強(qiáng)度、頻率等發(fā)生變化9，測出與外界因素強(qiáng)度之間的關(guān)系。光纖耐高溫，可用于制造高溫壓力傳感器，已有文獻(xiàn)報(bào)道

7、光纖溫度和壓力傳感器用于航空發(fā)動機(jī)的狀態(tài)檢測。但是，光纖在應(yīng)用上系統(tǒng)較為復(fù)雜，光纖的多元特征、光纖和包覆材料熱膨脹系數(shù)不匹配以及傳感器安裝位置都會影響測試精度10。為了實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下壓力的精確測量，國內(nèi)外不同結(jié)構(gòu)形式的壓力傳感器不斷出現(xiàn)，主要如下：（1）電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號，可分為單電容式壓力傳感器差動電容式壓力傳感器。主要優(yōu)點(diǎn)是高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低?？梢詫?shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)11。缺

8、點(diǎn)是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，寄生電容影響大。（2）電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器是利用電磁感應(yīng)把壓力轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)變。具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是容易被電磁干擾，電磁衰減等問題12。（3）電阻應(yīng)變式壓力傳感器電阻應(yīng)變式壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片組成的測量電路和彈性敏感元件組合起來的傳感器。當(dāng)彈性敏感元件受到壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在表面的電阻應(yīng)變片也會產(chǎn)生應(yīng)變，表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片阻值的變化13。另外，壓電式傳感器，熱電式傳感器，光電式傳感

9、器，磁傳感器等也逐漸被人們所研究應(yīng)用。（3）理論依據(jù)（1）SOI材料壓力傳感器優(yōu)勢半導(dǎo)體高溫壓力傳感器制作的關(guān)鍵在于高溫下應(yīng)變電阻之間以及應(yīng)變電阻與襯底間的電絕緣、穩(wěn)定性、重復(fù)性以及工藝的簡單性14。與其他壓阻式壓力傳感器如擴(kuò)散硅壓力傳感器、多晶硅壓力傳感器、SOS 壓力傳感器和 SiC 壓力傳感器相比較，SOI 壓力傳感器的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1）SOI 材料各種特性優(yōu)異，制備方法多。盡管 SiC 材料的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)特性也十分優(yōu)越，在某些方面甚至超過了 SOI 材料，但是制備困難尤其是高性能的 SiC 材料 ( 如 6H-SiC) 的制備就更加困難。至于 SOS 材料，價(jià)格因素

10、基本上限制了它的發(fā)展。2）由于硅集成電路技術(shù)的發(fā)展，為 SOI 材料的加工制備提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐，使其制備工藝愈來愈成熟。SOI 傳感器襯底硅加工通常采用成熟的微機(jī)械加工技術(shù)，如各向同向異性腐蝕技術(shù)；頂層硅膜中的器件制作則采用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路平面工藝，確保了傳感器的性能15。盡管多晶硅壓力傳感器在常規(guī)用途中，性價(jià)比上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，但多晶硅壓力傳感器制作過程中須采用 LPCVD 法生長一層多晶硅薄膜。薄膜的生長工藝條件對多晶硅薄膜各種特性的影響很大，因此對 LPCVD 和退火工藝的重復(fù)性與穩(wěn)定性有很高的要求，實(shí)現(xiàn)起來相對困難；另一方面，由于多晶硅材料結(jié)構(gòu)的特殊性，對其各種特性的了解遠(yuǎn)不如單晶硅

11、材料透徹，缺乏大量參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，傳感器的長期穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。SiC 壓力傳感器和 SOS 壓力傳感器由于材料結(jié)構(gòu)的特殊性，目前加工手段匱乏，因此產(chǎn)品的質(zhì)量以及不同批次產(chǎn)品的重復(fù)性和穩(wěn)定性都難以保證，尚有待開展深入的研究工作16。（2）壓阻式結(jié)構(gòu)壓力傳感器如圖1，其核心部分是一塊沿某晶向切割的N型的圓形硅膜片。在膜片上利用集成電路工藝方法擴(kuò)散上四個(gè)阻值相等的P型電阻。用導(dǎo)線將其構(gòu)成平衡電橋。膜片的四周用圓硅環(huán)（硅杯）固定，其下部是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔，上部一般可與大氣相通。在被測壓力P作用下，膜片產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變17。 圖1 壓阻式壓力傳感器（3）壓力傳感器的膜片采用耐高溫結(jié)構(gòu)材料SO

12、I18，利用微加工技術(shù)將其制備成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。硅膜片一般設(shè)計(jì)成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為2060。在圓形硅膜片(N型)定域擴(kuò)散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對于膜片中心對稱。圖2中是兩種微型壓力傳感器的膜片，圖中數(shù)字的單位為毫米。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻條，兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋19。 圖2 壓力傳感器的膜片壓阻式微型壓力傳感器的工作原理是單晶硅或多晶硅的壓阻效應(yīng)20。一般情況下，通過彈性膜片敏感外界壓力(實(shí)際上是壓差)并轉(zhuǎn)變成特定位

13、置上的應(yīng)變變化。在彈性膜片上通過摻雜形成的半導(dǎo)體電阻可以將這些應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化。4個(gè)壓力敏感電阻構(gòu)成惠斯頓電橋，如圖3所示21。其橋臂輸出電壓為 V0=VS4（R1R1R2 R2R3R3R4 R4） = KVS4（1234）VS為電橋激勵(lì)電壓，一般情況下4個(gè)壓敏電阻的初始值相等，即R1=R3=R2=R4，此時(shí)電橋平衡，輸出電壓V0為零。若將4個(gè)電阻環(huán)繞硅膜片中心同向布置，當(dāng)膜片受到外界壓力作用時(shí)，一對電阻受拉而另一對電阻受壓，例如R1、R3受拉而R2、R4受壓時(shí)，1、3為正，2、4為負(fù)22。此時(shí)。電橋失去平衡，1324的絕對值達(dá)到最大，從而得到盡量大的輸出電壓。 圖3，惠斯通電橋參考文獻(xiàn)1張

14、冬至，胡國清，陳昌偉MEMS高溫壓力傳感器研究與進(jìn)展儀表技術(shù)與傳感器，2009，11:462王云彩高溫壓力傳感器的研制碩士學(xué)位論文河北：河北工業(yè)大學(xué)， 20073崔正來“耐高溫壓力傳感器”在西安交通大學(xué)研制成功/81198699.htm，2004-06-174 Micheal E. Levinshtein, 楊樹人譯先進(jìn)半導(dǎo)體材料性能與數(shù)據(jù)手冊北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20035newmaker ANSYS在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用http:/wwwnewmakercom/art_12358html，2005-11-26孟超，趙玉龍，趙立波等MEMS耐高溫壓力傳感器封裝工藝儀表技術(shù)與傳感

15、器，2009，09:9117羅賓，楊志明，鄭智君瞬態(tài)超高溫傳感器結(jié)構(gòu)Silicon Valley，2010，04:15168劉艷艷，姚素英，張生才等Semiconductor Technology，2001，05:13169張為，姚素英，張生才等高溫壓力傳感器現(xiàn)狀與展望儀表技術(shù)與傳感器，2002，04:6810耿青濤高溫壓力傳感器的研制與計(jì)算機(jī)模擬碩士學(xué)位論文河北：河北工業(yè)大學(xué)， 200711謝勝球，姚東媛，張麗新等有限元仿真在硅-藍(lán)寶石高溫壓力傳感器雙模片設(shè)計(jì)上的應(yīng)用測試與計(jì)量技術(shù)2010，37(4):293212李偉東微壓力傳感器的設(shè)計(jì)與制作工藝研究碩士學(xué)位論文長沙：國防科技大學(xué)，2005

16、13郭長旭壓力傳感器仿真平臺的研究與設(shè)計(jì)碩士學(xué)位論文沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué)，201014趙艷平壓力傳感器彈性元件的力學(xué)性能分析與研究碩士學(xué)位論文江蘇：江蘇大學(xué)，200715趙艷平，丁建寧，楊繼昌等微型高溫壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，05:1829183116卞劍濤，顏黃蘋，馮勇建 ANSYS在接觸式電容壓力傳感器非線性分析中的應(yīng)用傳感器技術(shù)，2001，03:3617陳雨，楊繼昌，丁建寧耐高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)研究機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008，10：192118MEickhoff，HMoller，GKrortz等A high temperature sensor prepared

17、 by selective deposition of cubic silicon carbide on SOI substratesSensors and Actuators，1999，74:565919Ya Wang，Yi Jia，Qiushui Chen等A Passive Wireless Temperature Sensor for Harsh Environment ApplicationsSensor，2008，8:7982799520 張生才，金鵬，姚素英等Isolated Solid-State Packaging Technology of High Temperature

18、 Pressure Sensor2003，04:26426821 Li Chen，Mehran MehreganyA silicon carbide capacitive pressure sensor for in-cylinder pressure measurementSensor and Actuators，2008，A145-146:2822張丹，馮勇建，鄭志霞基于模型識別的高溫微型壓力傳感器儀表技術(shù)與傳感器，2003，09:89畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：（1）本課題研究的問題為了解決并實(shí)現(xiàn)高溫壓力測量，必須解決的首要問題壓敏結(jié)

19、構(gòu)的設(shè)計(jì)，即采用高熔點(diǎn)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的材料來設(shè)計(jì)壓力敏感結(jié)構(gòu)，以在高溫環(huán)境下仍然保持足夠的彈性性能，同時(shí)還必須考慮這種材料的可加工性；利用有限元分析軟件完成所設(shè)計(jì)的壓敏結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性分析，對其進(jìn)行熱模擬、模態(tài)分析等。具體的研究包括：1熟悉壓阻式壓力傳感器的基本原理，為傳感器壓敏結(jié)構(gòu)電路部分的設(shè)計(jì)提供相關(guān)的理論支持。2學(xué)習(xí)使用ANSYS、Ledit等軟件，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真和工藝版圖設(shè)計(jì)。3設(shè)計(jì)壓阻式高溫壓力傳感器的壓敏結(jié)構(gòu)。4用ANSYS軟件對繪制出的壓敏結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行溫度仿真，模態(tài)仿真。5. 進(jìn)行熱、力學(xué)耦合場仿真，給出500工作時(shí)溫度影響的量化指標(biāo)。（2）擬采用的研究手段基于對課題的相關(guān)分析，針對

20、高溫壓力傳感器耐高溫壓力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)特性分析等相關(guān)問題的研究，整體方案流程制定如下：1.查閱相關(guān)資料，了解SOI材料的相關(guān)特性。MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)） 是各類傳感器發(fā)展的必然方向。所謂 MEMS 就是將敏感元件和各種處理電路集成在同一芯片上，形成一個(gè)能夠獨(dú)立完成某項(xiàng)功能的復(fù)雜系統(tǒng)。由于 SOI 材料自身良好的特性，適合制作各種高性能集成電路，如高溫、高速、抗輻射和低功效電路等，因此可以與 SOI 傳感器結(jié)合起來制作高性能的 SOI MEMS 是其一大優(yōu)勢。多晶硅壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與工藝只適合與體硅集成電路結(jié)合，制作出的 MEMS 性能顯然無法與 SOI MEMS 相比。SiC 材料雖然也可

21、應(yīng)用于高性能集成電路的制作，但由于理論水平和加工手段的限制，目前的 SiC 材料的應(yīng)用還僅限于分立元器件。壓力傳感器利用材料的壓阻效應(yīng)制作。最新研究成果顯示，單晶硅材料制作的壓力傳感器的1/f 噪聲要遠(yuǎn)小于多晶硅材料。這表明在微壓測量領(lǐng)域，SOI 壓力傳感器具有較大的優(yōu)勢。在 SOI 襯底上制造的高溫壓力傳感器，單晶硅電阻膜與襯底之間采用 SiO2 隔離，形成單晶硅 SOI 結(jié)構(gòu)，使得 p-n 結(jié)漏電流減少，從而獲得良好的高溫性能和更高的靈敏度，因此適合在高溫下應(yīng)用。2.結(jié)合資料現(xiàn)有的壓敏結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并綜合課題要求設(shè)計(jì)壓阻式傳感器的壓敏結(jié)構(gòu)。1）彈性膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓阻式微型壓力傳感器的加工工藝步驟

22、如下：首先在硅晶圓背面各向異性刻蝕形成空腔，未刻透的腔底形成可感受外界壓力而變形的彈性膜片。在膜片正面的敏感位置摻雜形成壓敏電阻，沉積形成連接壓敏電阻的金屬導(dǎo)線以及通過打線(wirebonding)用來和外圍電路相連接的焊盤。壓阻式微型壓力傳感器的典型結(jié)構(gòu)，如圖4， 圖4，壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖在此類傳感器中，彈性膜片越薄、平面尺寸越大、變形越劇烈則輸出靈敏度越高。但是，彈性膜片最小厚度受工藝條件限制，膜片平面尺寸的增大也會導(dǎo)致傳感器整體尺寸變大。膜片的平面形狀可為矩形、圓形或正方形。在膜片厚度和平面面積相同的條件下，正方形膜片可以得到更大的膜片變形、更大的橫縱向應(yīng)變差，有利于得到較高靈敏

23、度。所以，壓阻式微型壓力傳感器的彈性膜片多為正方形。目前，國內(nèi)加工的壓阻式微型壓力傳感器的整體邊長一般為1 0002 000um，厚度約為200一400um。彈性膜片的邊長約為500-1 000um，膜厚為20一40 um。當(dāng)采用S01基片時(shí)，彈性膜片厚度可10um以下。2）壓敏電阻設(shè)計(jì).確定電阻初始阻值由于壓阻式壓力傳感器對溫度較敏感，為了減小溫度漂移，盡量降低自加熱產(chǎn)生的熱量，橋臂電流不宜過大，一般為1 mA左右。假如激勵(lì)電壓為5V，則橋臂電阻初始值約為5 k。.確定方塊電阻值橋臂電阻初始阻值尺取決于摻雜濃度，摻雜濃度表征為方塊電阻Rs，R與Rs的關(guān)系如下R= Rs L/W期望壓敏電阻的溫度敏感性盡量小。那么遷移率隨溫度變化就要小，故硼擴(kuò)散電阻摻雜