高温压力传感器结构设计及仿真开题报告

1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院、系：仪器与电子学院 专 业：微电子科学与工程设计题目：高温压力传感器结构设计及仿真指导教师: 2013 年 12月10 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述（1）选题的背景及意义高温压力传感器作为微机电系统在民用工业和国防军工领域有着广阔的应用前景。例如，民用上可用于化工反应釜和冶炼塔内的压力、高温油井和各种发动机腔体内的压力测量；在军事上可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制、喷气发动机、火箭 、导弹、卫星等耐热

2、腔体和表面各部分的压力测1。在国家重大工程项目核电、大飞机、深空探测、载人航天遇到的超高温压测试的难题，主要原因在于在高温环境下的弹性结构失稳以及电引线性能退化，导致传统MEMS压力传感器无法正常工作。例如，常规的硅压力传感器只能120以下进行压力测量，超过120时，传感器的性能会严重恶化以至完全失效，不能满足高温等恶劣环境下的压力测量和自动化领域越来越高的测量精度要求，因此致使我国高温压力传感器长期以来主要依赖进口。当前，我国正在积极进行深空探测、载人航天、核电等领域的投资与建设，实时、精准的高温压力传感测试技术不仅在当前深空探测、载人航天、大飞机以及核电等国家重大工程中具有迫切的应用需求，

3、同时，也是解决高温、高压恶劣环境下工程测量问题，突破装备制造与精密控制的关键技术2。实现高温环境下压力的实时准确的测量，也必将带动我国相关产业的发展、制造技术的进步，提升我国在这一行业的整体水平与国际竞争力，必将带来巨大的经济效益。因此，发展基于新原理、新技术的超高温环境（>600）压力测量方法具有重大的战略意义和现实必要性。实现高温恶劣环境下的MEMS压力传感测量的难点主要体现在：（1）压力敏感结构在高温环境下的结构稳定性问题高温环境冲击使得压力敏感结构失效或温度噪声造成压力信号不可检测。例如MEMS中常用的硅膜片压敏结构，由于当温度上升到500以上时，硅材料发生蠕变变形而导致结构发生

4、不可逆变化并失效3。（2）高温恶劣环境下测量精确度问题传统的电容式压力传感器输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降 低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作4。（2）国内外研究现状及发展动态为应对常规扩散硅压力传感器无法胜任高温压力测量的难题，国内外多种采用半导体材料的高温压力传感器5不断出现，主要如：（1）多晶硅压力传感器多晶硅是半导体集成电路中广

5、泛采用的薄膜材料，多晶硅压力传感器采用掺杂多晶硅膜做应变膜，4个应变电阻构成惠斯通电桥，分布在单晶硅弹性膜的不同区域，获得最大的应变，多晶硅应变因子较大，所以传感器灵敏度高。目前国际上较为成熟的此类产品由仪表巨头PHILIPS和Foxboro生产，国内从事此类研究的单位有天津大学、电子部49所、哈尔滨工业大学等，但传感器仅限于实验室样品6。（2）SOS压力传感器SOS蓝宝石压力传感器是在80年代早期提出的一种应变式压力传感器，通过在作为弹性体的蓝宝石上异质外延生长单晶硅膜7，采用半导体平面工艺制作硅应变电桥。由于加工成本高，工艺复杂，且蓝宝石材料硬度高，加工难度大，限制了传感器的批量生产与推广

6、。（3）SiC压力传感器SiC材料是典型的第三代半导体材料，具有宽禁带结构、高击穿电压和较高热导率等特点，还具有优良的抗辐射性能，由于原子键合能强，具有非常高的机械强度，良好的温度稳定性和弹性性能，这使得它成为高可靠性MEMS器件、耐高温传感器件的最好材料8。SiC的弹性参数和断裂韧度都具有非常高的值。（4）光纤压力传感器光纤优良的抗电磁干扰能力，相对于其体积重量的巨大信息承载能力和安全性能，使其在传感器技术上大有作为，利用光的调制原理，光纤已被用来制备几乎所有类型的传感器。通过光纤内调制光的相位、强度、频率等发生变化9，测出与外界因素强度之间的关系。光纤耐高温，可用于制造高温压力传感器，已有

7、文献报道光纤温度和压力传感器用于航空发动机的状态检测。但是，光纤在应用上系统较为复杂，光纤的多元特征、光纤和包覆材料热膨胀系数不匹配以及传感器安装位置都会影响测试精度10。为了实现高温环境下压力的精确测量，国内外不同结构形式的压力传感器不断出现，主要如下：（1）电容式压力传感器电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号，可分为单电容式压力传感器差动电容式压力传感器。主要优点是高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小，输人能量也很低。可以实现非接触测量，具有平均效应

8、11。缺点是输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大。（2）电感式压力传感器电感式压力传感器是利用电磁感应把压力转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转变。具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。主要缺点是容易被电磁干扰，电磁衰减等问题12。（3）电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化13。另外，压电式传感器，热电式传感器，光

9、电式传感器，磁传感器等也逐渐被人们所研究应用。（3）理论依据（1）SOI材料压力传感器优势半导体高温压力传感器制作的关键在于高温下应变电阻之间以及应变电阻与衬底间的电绝缘、稳定性、重复性以及工艺的简单性14。与其他压阻式压力传感器如扩散硅压力传感器、多晶硅压力传感器、SOS 压力传感器和 SiC 压力传感器相比较，SOI 压力传感器的技术优势主要体现在以下几个方面1）SOI 材料各种特性优异，制备方法多。尽管 SiC 材料的力学、电学和热学特性也十分优越，在某些方面甚至超过了 SOI 材料，但是制备困难尤其是高性能的 SiC 材料 ( 如 6H-SiC) 的制备就更加困难。至于 SOS 材料，

10、价格因素基本上限制了它的发展。2）由于硅集成电路技术的发展，为 SOI 材料的加工制备提供了先进的技术支撑，使其制备工艺愈来愈成熟。SOI 传感器衬底硅加工通常采用成熟的微机械加工技术，如各向同向异性腐蚀技术；顶层硅膜中的器件制作则采用标准的集成电路平面工艺，确保了传感器的性能15。尽管多晶硅压力传感器在常规用途中，性价比上具有相当的优势，但多晶硅压力传感器制作过程中须采用 LPCVD 法生长一层多晶硅薄膜。薄膜的生长工艺条件对多晶硅薄膜各种特性的影响很大，因此对 LPCVD 和退火工艺的重复性与稳定性有很高的要求，实现起来相对困难；另一方面，由于多晶硅材料结构的特殊性，对其各种特性的了解远不

11、如单晶硅材料透彻，缺乏大量参数的具体数据，传感器的长期稳定性也有待进一步验证。SiC 压力传感器和 SOS 压力传感器由于材料结构的特殊性，目前加工手段匮乏，因此产品的质量以及不同批次产品的重复性和稳定性都难以保证，尚有待开展深入的研究工作16。（2）压阻式结构压力传感器如图1，其核心部分是一块沿某晶向切割的N型的圆形硅膜片。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在被测压力P作用下，膜片产生应力和应变17。 图1 压阻式压力传感器（3）压力传感器的膜片采用耐高温结构

12、材料SOI18，利用微加工技术将其制备成如图1所示的结构。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为2060。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。图2中是两种微型压力传感器的膜片，图中数字的单位为毫米。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扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥19。 图2 压力传感器的膜片压阻式微型压力传感器的工作原理是单晶硅或多晶硅的压阻效应20。一般情况下，通过弹性膜片敏感外界压力(实际上是压差)并转变

13、成特定位置上的应变变化。在弹性膜片上通过掺杂形成的半导体电阻可以将这些应变转化为电阻变化。4个压力敏感电阻构成惠斯顿电桥，如图3所示21。其桥臂输出电压为 V0=VS4（R1R1R2 R2R3R3R4 R4） = KVS4（1234）VS为电桥激励电压，一般情况下4个压敏电阻的初始值相等，即R1=R3=R2=R4，此时电桥平衡，输出电压V0为零。若将4个电阻环绕硅膜片中心同向布置，当膜片受到外界压力作用时，一对电阻受拉而另一对电阻受压，例如R1、R3受拉而R2、R4受压时，1、3为正，2、4为负22。此时。电桥失去平衡，1324的绝对值达到最大，从而得到尽量大的输出电压。 图3，惠斯通电桥参考

14、文献1张冬至，胡国清，陈昌伟MEMS高温压力传感器研究与进展仪表技术与传感器，2009，11:462王云彩高温压力传感器的研制硕士学位论文河北：河北工业大学， 20073崔正来“耐高温压力传感器”在西安交通大学研制成功/81198699.htm，2004-06-174 Micheal E. Levinshtein, 杨树人译先进半导体材料性能与数据手册北京：化学工业出版社，20035newmaker ANSYS在微机电系统(MEMS)设计中的应用http:/wwwnewmakercom/art_12358html，2005-11-26孟超，赵玉龙，赵立波等MEMS耐高温压力传感器封装工艺仪表技

15、术与传感器，2009，09:9117罗宾，杨志明，郑智君瞬态超高温传感器结构Silicon Valley，2010，04:15168刘艳艳，姚素英，张生才等Semiconductor Technology，2001，05:13169张为，姚素英，张生才等高温压力传感器现状与展望仪表技术与传感器，2002，04:6810耿青涛高温压力传感器的研制与计算机模拟硕士学位论文河北：河北工业大学， 200711谢胜球，姚东媛，张丽新等有限元仿真在硅-蓝宝石高温压力传感器双模片设计上的应用测试与计量技术2010，37(4):293212李伟东微压力传感器的设计与制作工艺研究硕士学位论文长沙：国防科技大学，

16、200513郭长旭压力传感器仿真平台的研究与设计硕士学位论文沈阳: 沈阳工业大学，201014赵艳平压力传感器弹性元件的力学性能分析与研究硕士学位论文江苏：江苏大学，200715赵艳平，丁建宁，杨继昌等微型高温压力传感器芯片设计分析与优化传感技术学报，2006，05:1829183116卞剑涛，颜黄苹，冯勇建 ANSYS在接触式电容压力传感器非线性分析中的应用传感器技术，2001，03:3617陈雨，杨继昌，丁建宁耐高温压力传感器的设计研究机械设计与制造，2008，10：192118MEickhoff，HMoller，GKrortz等A high temperature sensor prep

17、ared 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 张生才，金鹏，姚素英等Isolated Solid-State Packaging Technology of High Tempera

18、ture Pressure Sensor2003，04:26426821 Li Chen，Mehran MehreganyA silicon carbide capacitive pressure sensor for in-cylinder pressure measurementSensor and Actuators，2008，A145-146:2822张丹，冯勇建，郑志霞基于模型识别的高温微型压力传感器仪表技术与传感器，2003，09:89毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：（1）本课题研究的问题为了解决并实现高温压力测量，必须解决的首要问

19、题压敏结构的设计，即采用高熔点和结构强度的材料来设计压力敏感结构，以在高温环境下仍然保持足够的弹性性能，同时还必须考虑这种材料的可加工性；利用有限元分析软件完成所设计的压敏结构的相关特性分析，对其进行热模拟、模态分析等。具体的研究包括：1熟悉压阻式压力传感器的基本原理，为传感器压敏结构电路部分的设计提供相关的理论支持。2学习使用ANSYS、Ledit等软件，可以进行结构仿真和工艺版图设计。3设计压阻式高温压力传感器的压敏结构。4用ANSYS软件对绘制出的压敏结构，并进行温度仿真，模态仿真。5. 进行热、力学耦合场仿真，给出500工作时温度影响的量化指标。（2）拟采用的研究手段基于对课题的相关分

20、析，针对高温压力传感器耐高温压力结构设计、相关特性分析等相关问题的研究，整体方案流程制定如下：1.查阅相关资料，了解SOI材料的相关特性。MEMS（微电子机械系统） 是各类传感器发展的必然方向。所谓 MEMS 就是将敏感元件和各种处理电路集成在同一芯片上，形成一个能够独立完成某项功能的复杂系统。由于 SOI 材料自身良好的特性，适合制作各种高性能集成电路，如高温、高速、抗辐射和低功效电路等，因此可以与 SOI 传感器结合起来制作高性能的 SOI MEMS 是其一大优势。多晶硅压力传感器的结构与工艺只适合与体硅集成电路结合，制作出的 MEMS 性能显然无法与 SOI MEMS 相比。SiC 材料

21、虽然也可应用于高性能集成电路的制作，但由于理论水平和加工手段的限制，目前的 SiC 材料的应用还仅限于分立元器件。压力传感器利用材料的压阻效应制作。最新研究成果显示，单晶硅材料制作的压力传感器的1/f 噪声要远小于多晶硅材料。这表明在微压测量领域，SOI 压力传感器具有较大的优势。在 SOI 衬底上制造的高温压力传感器，单晶硅电阻膜与衬底之间采用 SiO2 隔离，形成单晶硅 SOI 结构，使得 p-n 结漏电流减少，从而获得良好的高温性能和更高的灵敏度，因此适合在高温下应用。2.结合资料现有的压敏结构的设计并综合课题要求设计压阻式传感器的压敏结构。1）弹性膜片结构设计压阻式微型压力传感器的加工

22、工艺步骤如下：首先在硅晶圆背面各向异性刻蚀形成空腔，未刻透的腔底形成可感受外界压力而变形的弹性膜片。在膜片正面的敏感位置掺杂形成压敏电阻，沉积形成连接压敏电阻的金属导线以及通过打线(wirebonding)用来和外围电路相连接的焊盘。压阻式微型压力传感器的典型结构，如图4， 图4，压阻式压力传感器结构示意图在此类传感器中，弹性膜片越薄、平面尺寸越大、变形越剧烈则输出灵敏度越高。但是，弹性膜片最小厚度受工艺条件限制，膜片平面尺寸的增大也会导致传感器整体尺寸变大。膜片的平面形状可为矩形、圆形或正方形。在膜片厚度和平面面积相同的条件下，正方形膜片可以得到更大的膜片变形、更大的横纵向应变差，有利于得到

23、较高灵敏度。所以，压阻式微型压力传感器的弹性膜片多为正方形。目前，国内加工的压阻式微型压力传感器的整体边长一般为1 0002 000um，厚度约为200一400um。弹性膜片的边长约为500-1 000um，膜厚为20一40 um。当采用S01基片时，弹性膜片厚度可10um以下。2）压敏电阻设计.确定电阻初始阻值由于压阻式压力传感器对温度较敏感，为了减小温度漂移，尽量降低自加热产生的热量，桥臂电流不宜过大，一般为1 mA左右。假如激励电压为5V，则桥臂电阻初始值约为5 k。.确定方块电阻值桥臂电阻初始阻值尺取决于掺杂浓度，掺杂浓度表征为方块电阻Rs，R与Rs的关系如下R= Rs L/W期望压敏电阻的温度敏感性尽量小。那么迁移率随温度变化就要小，故硼扩散电阻掺