基于双压阻差动检测的片上温度敏感型谐振式压力传感器设计及原理初探

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基于微机电系统(MEMS)的硅微压力传感器是最早的商业化产品之一,谐振技术的MEMS压力传感器是目前精度最高的压力测量仪器,鉴于其测量精度高、稳定性好、抗干扰性好、数字化输出等优势,因此常被应用于航空航天飞行器大气数据采集、气象监测和工业控制等方面。目前,硅微谐振式压力传感器仍然是国内各大实验室研究的重点。但是,复杂的结构设计和制造工艺导致此类传感器的研发往往需要较长时间,因此国内尚未实现此类传感器的批量制造。本文在国内外谐振式压力传感器的研究基础上,创新性的提出了一种双压阻差动检测的片上温度敏感型谐振式压力传感器,可以同时敏感压力和温度信息,并对其进行芯体方案设计和结构优化。为了提高传感器的综合性能,本文研究了最优压阻检测方向、温度敏感结构、并提出了优化设计方案,以此提高谐振式压力传感器灵敏度并且降低其温度灵敏度。通过仿真的手段,探究了整个传感器芯体的性能,包括传感器的压力响应有限元模拟分析、传感器温度响应有限元模拟分析、传感器面外位移有限元模拟分析、谐响应有限元模拟分析、冲击载荷有限元模拟分析等。最后,在有限元模拟分析的基础上,得到了传感器的压力-温度-频率三者的曲面关系,并用最小二乘法对其进行了温度补偿,最终传感器的理论补偿可以达到0.0005%FS。在传感器结构设计的基础上,对传感器的各层加工工艺进行设计,并研究了传感器制备中的关键工艺,并对相关的关键工艺进行攻关。其主要研究内容包括:进行深硅腐蚀工艺实验,确定传感器敏感膜制备的最佳腐蚀工艺;完成基于干湿法活化的硅硅键合工艺,并得到了键合良率大于90%且键合强度在10MPa~20MPa的高质量键合结果。最后通过化学和机械相结合的方法对器件的谐振层进行抛光减薄,控制器件谐振层的厚度在60μm左右。
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