特种微机电系统压力传感器

通过对微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)压力传感器设计方法与封装制作工艺问题的研究,针对不同应用环境下对压力传感器的性能、尺寸及封装要求,提出相应的传感器力学结构模型——微压结构、梁膜结构及倒杯结构,通过相应的FEM有限元建模方法对传感器结构进行仿真分析并优化结构尺寸,建立合理的力学结构;进行MEMS工艺设计及封装工艺满足传感器微小尺寸、耐高温冲击响应及高过载能力等要求。其中,针对微压传感器在测量过程中高灵敏度与非线性矛盾问题进行力学分析及仿真,分析不同结构的传感器的力学特性及结构尺寸对传感器输出特性的影响,提出新型梁膜结构微压传感器结构,对新型结构传感器进行MEMS工艺研究;根据空气动力学试验、航空测试及火药爆破试验等对高温压力传感器的动态特性要求,采用倒杯式高频响压力传感器及齐平膜封装方式,提高传感器的动态响应特性,满足10 kHz到1 MHz的频响要求;通过有限元分析耐高温冲击封装结构,采用梁膜封装结构提高了耐高温压力传感器的可靠性。通过压力传感器仿真验证、静态特性试验及动态冲击响应试验验证传感器力学结构建模方法、MEMS工艺设计及封装设计的正确性。     

高温压力传感器技术研究

提出的基于MEMS技术的耐高温压力传感器,采用耐高温SOI力敏元件以及梁膜组合设计,保证传感器有较高频响的同时,具有耐平衡高温和瞬时超高温的能力.研制的耐高温压力传感器可以用于0～220 ℃恶劣环境条件下的压力测量,并能解决1000 ℃的瞬时冲击.给出了传感器的结构模型和实测数据,得到比较满意结果.     

新型宽温区压力传感器技术

为研制新型耐高温和耐低温压力传感器,提出了一种基于SOS(蓝宝石上硅)技术制造的压力传感器.所述硅-蓝宝石压力传感器采用先封装再刻制应变电阻的新工艺,制成的应变电阻和补偿用热电阻精度高、质量好,且在整个工艺流程中不使用化学药品,对环境无污染.制成的硅-蓝宝石压力传感器,可以测量在-55～+400 ℃宽温区范围内的流体压力,并可以同时测量温度.给出了该传感器的试验数据,得到了比较满意的结果.     

通用型耐高温微型压力传感器封装工艺研究

针对通用型高温微型压力传感器的测量要求,采用SIMOX(separation by implanted oxygen)技术SOI(silicon on insulator)晶片4层结构Pt5Si2-Ti-Pt-Au合金化引线系统,解决了高温压力传感器引线的难点。制作了静电键合实验装置,完成了硅／玻璃环静电键合,制作了压焊工作台,选用退火后的金丝,金金连接完成内引线键合。自制了耐高温覆铜传引板,定制了含Ag的高温焊锡丝,选用了耐高温导线作为外导线,完成了耐高温封装的关键部分。研制了高精度、稳定性的压阻式压力传感器。     

德尔森——高端智能传感器的中国智造——访德尔森控股有限公司总经理 牟恒

正关于MEMS传感器MEMS(微电子机械加工系统)技术的日趋成熟将为传感器行业带来一场新的革命,对于压力、差压、液位与流量传感器/变送器而言,其封装的传感器芯片将决定最终产品的性能与等级。以目前国际市场上广泛采用的硅芯片技术而言,硅压阻技术加工工艺成熟,但其信噪比特性与温度特性有待提高;硅谐振技术加工工艺复杂,过压特性不好;德尔森MD系列芯片采用创新的单晶硅双梁悬浮式技术,结合了硅压阻与硅谐振技术双方特点,并于设计与工艺上做出了创新的优化实现高精度、高稳定、低温度影响、超高过压等优异性能,完全适用于工业过程控制、自动化制造、航天航空、汽车与船舶、医疗卫生等多个领域。     

MEMS耐高温压力传感器封装工艺

MEMS耐高温压力传感器在封装结构上采用薄膜隔离式结构,在油腔与波纹片所形成的密闭容腔里面填充高温硅油.由于传感器的工作温度达250 ℃,硅油、壳体基座及波纹片将会产生不同程度的热膨胀,最终将给压阻力敏芯片形成一定附加压力,严重影响传感器的精度.文中主要就硅油、壳体基座及波纹片在250 ℃工作时由于不同的热膨胀系数而导致的膨胀不一致情况进行ANSYS仿真分析,研究了平膜膜片及波纹状膜片情况下的硅油热膨胀问题,最后相应地得到了硅油相对于壳体和波纹片的热膨胀率,同时分析得出了合理设计波纹片结构可以有效减小硅油热膨胀时所产生的附加压力,提高传感器的工作灵敏度与稳定性.     

MEMS技术的智能化硅压阻汽车压力传感器

文中介绍通过采用MEMS(micro electro mechanical systems)技术制造的硅压阻力敏元件结合智能集成化信号调理技术设计了适合批量制造的小型化坚固封装的通用汽车压力传感器.通过智能调理技术将传感器的零位和满度进行温度校准实现了宽温度工作范围内的高精度测量,并且适合于批量制造.     

一种硅芯片外引线键合的热压焊简易装置

为满足压阻式压力传感器封装工艺中硅芯片外引线键合的要求,研制了热压焊简易装置;研究了金铝压焊处金属间化合物扩散深度随温度增长关系.键合试验中,调节压焊控制台电压使衬底温度保持在150～200℃,压焊头辟刀温度保持在150℃左右,保证了压焊点接触的可靠性.实践表明,该装置容易操作,适合于大批量生产,具有一定的经济效益.     

基于SOI的E型膜结构耐高温压力芯片的设计与制造

文中设计了一种基于SOI材料的E型膜结构无引线倒封装压力芯片.SOI材料的选用解决了高温环境下漏电流的问题,可以满足目前航空发动机对于高温使用环境的要求.E型膜结构与传统C型膜结构相比解决了灵敏度与线性度无法同时满足需求的难题.通过无引线倒封装工艺,实现了传感器小型化、轻量化的设计需求.设计的压力传感器量程为0～1.5...     

一种硅微压阻式压力传感器的研究

研究了一种量程为20kPa的压阻式微压力传感器,同时采用ANSYS仿真得出影响传感器性能的一些规律。应用小挠度理论设计计算了压阻式硅传感器方形弹性膜片结构,并对圆形膜片与方形膜片进行了比较,同时设计了硅芯片以及压敏电阻的尺寸和阻值。通过模型分析和对方型硅膜片的模拟计算,确定了压敏电阻最佳放置位置,来提高灵敏度;并在各个不同的压力下仿真出应力分布图、得出输入—输出关系图及应力峰值。研究为压阻式微压力传感器的结构以及优化、稳健设计提供了一定参考。     

耐高温压阻式压力传感器研究与进展

传统的硅扩散压阻式压力传感器用重掺杂4个P型硅应变电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式，采用PN结隔离，高温压阻式压力传感器取消了PlN结隔离，与半导体集成电路平面工艺兼容，符合传感器的发展方向。根据力敏材料的分类，分别介绍了多晶硅中高温压力传感器、SiC高温压力传感器和单晶硅SOI（silicon on insulator）高温压力传感器的基本工作原理和国内外的发展现状，重点论述了BESOI（bonding and etch-backSOI）、SMARTCUT和SIMOX（separation by implanted oxygen）技术的SOI晶片加工工艺。以及由此晶片微机械加工成的芯片封装的高温微型压力传感器部分特性，对此领域的发展作了展望。     

用于恶劣环境的耐高温压力传感器

为了解决如高温200℃等恶劣环境下的压力测量问题,基于微机电系统(MEMS)和高能氧离子注入(SIMOX)技术,研制了一种量程为0~120 kPa的压阻式压力传感器。该传感器芯片由硅基底、薄层二氧化硅、惠斯登电桥结构的硼离子注入层、氮化硅应力匹配层、钛-铂-金梁式引线层和由湿法刻蚀形成的空腔组成。在氧剂量1.4×10¹⁸/cm²和注入能量200 keV条件下,由高能氧离子注入技术形成厚度为367 nm的埋层二氧化硅层,从而将上部测量电路层和硅基底隔离开,解决了漏电流问题,使得传感器芯片可以在高温200 ℃以上的环境下使用。为了提高传感器在宽温度范围内的稳定性,对温度补偿工艺进行了研究,补偿后的传感器灵敏度温度系数和零位温度系数很容易控制在1×10^-4/℃·FS。实验标定结果表明:在200 ℃下,研发的耐高温压力传感器具有很好的工作性能,其线性度误差达0.12%FS、重复性误差为0.1%FS、迟滞误差为0.12%FS,精度达0.197%FS,满足油井、风洞、汽车和石化工业等现代工业的应用需求。     

注氧隔离技术SOI晶圆材料高温压阻效应

针对注氧隔离技术制备的SOI晶圆顶层硅材料的高温压阻效应,设计并制作研究压阻效应的实验装置与测试样品,在高温条件下,利用悬臂梁结构研究SOI晶圆顶层硅的压阻效应.研究结果表明:在一定的掺杂浓度条件下,硅[110]晶向上的纵向压阻系数随温度的升高而减小,横向压阻系数随温度的升高变化不大.在300℃条件下,硅[110]晶向具有较大的纵向压阻系数和横向阻系数,且性能稳定,适于高温压阻式压力传感器的制作.     

适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器

为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响,提出了一种新型结构的压阻式压力传感器.该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中,从而减少了外界环境对压敏电阻的影响.介绍了此种压力传感器的工作原理,使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用下的应力分布情况.最后,利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1.5 mm×1.5 mm×500 μm的压阻式压力传感器.用压力检测平台对该压力传感器进行了测试,结果表明,在25～125℃,其线性度小于2.73％,灵敏度约为20mV/V-MPa,满足现代工业使用要求.     

An integrated sensor for pressure, temperature, and relative humidity based on MEMS technology

This paper presents an integrated multifunctional sensor based on MEMS technology, which can be used or embedded in mobile devices for environmental monitoring. An absolute pressure sensor, a temperature sensor and a humidity sensor are integrated in one silicon chip of which the size is 5 mmX 5 mm. The pressure sensor uses a bulk-micromachined diaphragm structure with the piezoresistors. For temperature sensing, a silicon temperature sensor based on the spreading-resistance principle is designed and fabricated. The humidity sensor is a capacitive humidity sensor which has the polyimide film and interdigitated capacitance electrodes. The different piezoresistive orientation is used for the pressure and temperature sensor to avoid the interference between sensors. Each sensor shows good sensor characteristics except for the humidity sensor. However, the linearity and hysteresis of the humidity sensor can be improved by selecting the proper polymer materials and structures.     

多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在MEMS(微机电系统)压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用了多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并给出这种传感器的设计方法。分析了牺牲层结构弹性膜片的应力分布对传感器灵敏度的影响,优化设计了量程为0~0.2 MPa多晶硅纳米膜压力传感器芯片的结构参数。有限元法仿真结果表明:在保证传感器灵敏度大于50 mV/(MPa.V)的前提下,零点温漂系数可小于1×10-3FS/℃;灵敏度温漂(无电路补偿)可小于1×10-3FS/℃.为高灵敏、低温漂、低成本的高温压力传感器集成化发展提供了一条可行途径。     

基于信噪比的MEMS压力传感器设计与分析

为了研制高精度MEMS压阻式压力传感器,基于信噪比对其压敏结构进行了设计与分析.首先运用ANSYS有限元模拟仿真获得了不同压敏电阻结构芯片的应力分布,并对其噪声和信噪比进行了理论分析,发现在低频区闪烁噪声是传感器噪声的主要来源.仿真结果表明,芯片结构对其噪声、输出信号和信噪比均存在影响,增加压敏电阻折叠条数通常有助于获...     

光纤法珀式SiC耐高温压力传感器的制造与测试

针对高温环境下压力参数的原位测试需求,基于碳化硅（SiC）材料优异的耐高温特性,研制了一种光纤法珀式全SiC结构耐高温压力传感器。采用超声振动铣磨的加工方法制备了表面粗糙度Ra约11.9 nm的SiC传感膜片。利用SiC晶片氢氟酸辅助直接键合技术,实现SiC传感膜片与SiC基板的高强度气密性键合。搭建了高温压力测试系统,对制备的SiC耐高温压力传感器样机进行了高温环境下的性能测试。结果表明,该传感器能够实现600 ℃高温环境下 0~4 MPa范围内的压力测量;600 ℃下传感器的压力灵敏度达到104.42 nm/MPa,具有较高的线性度,R2＞0.99。     

A monolithic silicon multi-sensor for measuring three-axis acceleration,pressure and temperature

A monolithic multi-sensor for small unmanned aerial vehicles is presented in the paper; it consists of a three-axis piezoresistive accelerometer, a piezoresistive absolute pressure sensor and a silicon thermistor temperature sensor. The accelerometer is designed with four silicon beams supporting the seismic mass and appropriate piezoresistors arrangement to detect three-axis acceleration and greatly reduce cross-axis sensitivities. For minimizing the effect of stress on the temperature sensor, the thermistor is designed along [100] and [010] crystal orientation. The multi-sensor is fabricated on SOI wafers by using MEMS bulk-micromachining technology. Some effective micromachining steps are applied in the fabrication. The two-step wet anisotropic etching process on the backside of the wafers can form the whole backside shape of the multi-sensor. The metal electrode sputtered on the Pyrex glass can avoid sticking between the Pyrex glass and the seismic mass in the process of anodic bonding. The die size of the multi-sensor is 4×6×0.9mm³. The measured results show that the multi-sensor is appropriate for its application field.     

基于一种再生小波核的SVR在降低多传感器交叉敏感中的应用

在充分研究和比较多种降低多传感器交叉敏感方法的基础上,介绍一种用于消除或降低压阻式压力传感器交叉敏感的张量积再生小波核支持向量回归的方法.这种支持向量回归核函数的构建是基于一种算子理论构造的再生小波核Hilbert空间的方法.实验结果表明,该方法可以明显地降低多传感器的交叉敏感.经其融合后,传感器的温度灵敏度系数α_s和电流影响系数α_1比融合前分别降低了近2个数量级,零位温度系数α_0下降了约3/4.