【摘 要】
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MEMS压力传感器作为工业控制中各种环境下压力监测与控制的核心,因其拥有体积小、成本低和性能优异等特点在航空航天、武器装备和民用领域等方面得到广泛的应用。二维纳米材料石墨烯独特的六角蜂窝状晶格结构为其带来的十分出色的力学、电学、热学等特性,已成为新一代微纳传感器的首选材料。由于欧美等发达国家对高温压力传感器进行严格管控,而将石墨烯应用与高温压力传感器中,对打破国外技术封锁实现产品自研具有重要的意义
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MEMS压力传感器作为工业控制中各种环境下压力监测与控制的核心,因其拥有体积小、成本低和性能优异等特点在航空航天、武器装备和民用领域等方面得到广泛的应用。二维纳米材料石墨烯独特的六角蜂窝状晶格结构为其带来的十分出色的力学、电学、热学等特性,已成为新一代微纳传感器的首选材料。由于欧美等发达国家对高温压力传感器进行严格管控,而将石墨烯应用与高温压力传感器中,对打破国外技术封锁实现产品自研具有重要的意义。本文提出了一种基于Si3N4防护膜的石墨烯耐高温压力传感器,主要完成传感器结构设计与优化、工艺设计及试制、静态性能与温度特性测试。主要研究内容如下:首先基于石墨烯压阻效应机理进行石墨烯压力传感器结构方案设计,结合薄板小变形理及有限元分析法计算出弹性膜片的最优尺寸,并根据最大应变确定出石墨烯敏感单元最优布局和形状尺寸。接着进行传感器芯片及键合基板工艺流程制定和光刻版图设计,重点完成硅弹性膜片制备、石墨烯敏感结洁净转移、高可靠性Si3N4纳米膜沉积,通过高兼容性Au/Sn键合气密性封装技术完成芯片样品制备,并完成石墨烯压力传感器外部检测电路设计。最后对膜结构石墨烯耐高温压力传感器进行了表征及测试。主要完成了石墨烯转移质量及防护质量表征、Au/Sn键合气密性封装性能、压力传感器静态指标及温度特性测试。石墨烯敏感结表面未见明显破损、褶皱、光刻胶残留等其他缺陷,Si3N4纳米膜防护后电学性能稳定,质量较高;Au/Sn键合截面未见空洞、横纹等其他结构缺陷,元素组成符合高强度合金成分比例要求。剪切力和漏率测试均满足相关标准要求;静态指标结果表明在0～20 MPa压力范围内（传统石墨烯压力传感器测量范围:＜0.5 MPa）,石墨烯压力传感器灵敏度为55.072 m V/V/MPa、重复性误差为4.062%FS、迟滞误差为2.118%FS;此外耐温性测试结果显示在200℃高温冲击下有Si3N4保护的石墨烯敏感单元具有较高的稳定性,其电阻变化量最大仅为8.48%。且传感器在25℃～130℃之间的温度特性显示石墨烯电阻随温度的升高而增大,具有较高的重复性和稳定性。
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