基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究

针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境(≥500℃)下测试需求的问题,设计并制备了一种基于碳化硅(SiC)材料的电容式高温压力传感器。利用ICP刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构,结合金属沉积、金属图形化等MEMS工艺制备了感压敏感芯片。搭建了压力-温度复合测试平台,完成了传感器在0～600℃环境下压力-电容响应特性的测试。测试结果表明,在0～300 kPa内,该传感器灵敏度为4.51×10~(-3) pF/kPa,非线性误差为2.83%;同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低,0～600℃环境下电容变化量为8.50～8.65 pF。     

应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器

针对现有高温高压油井下对温度和压力的实时长期监测要求,设计了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统。根据传感器的使用环境,优选了恒弹性合金。采用优选后的恒弹性合金作为基底材料设计了圆筒与圆形膜片组合式传感器结构,圆形膜片是整体加工成型的。最后,对传感器进行相关实验测试。实验测试与误差分析结果显示,传感器实现了温度和压力的大量程测量,传感特性呈单值线性,温度补偿可一体化封装;温度线性检测区为0~350℃,温度灵敏度为0.020 1 nm/℃,温度测量静态误差为0.029%;压力线性检测区为0~60 MPa,压力灵敏度为0.013 6nm/MPa,压力测量静态误差为0.046%,这些指标能够满足实际工程的要求。     

新型高温压力传感器的设计与性能测试

针对高温恶劣环境下对压力参数的测试需求,以单晶蓝宝石为原材料,对无线无源蓝宝石高温压力传感器进行了设计、工艺加工及性能测试.以压力膜片敏感原理为主要根据,结合不同的信号传输与提取方式,首先对LC谐振式的无线无源蓝宝石高温压力传感器进行了设计,然后通过蓝宝石刻蚀、蓝宝石减薄、直接键合等3个关键工艺实现了蓝宝石密封压力腔的...     

光纤珐珀高温压力传感器的设计与性能测试

为了提高传感器在高温恶劣环境下的测试性能,结合单晶蓝宝石优异的特性,研究了一种能在高温恶劣环境下长期稳定工作的全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器,并对其设计、制造工艺及性能测试进行了详细的分析说明。首先,利用光纤珐珀干涉原理及斐索干涉仪的信号解调原理,对传感器进行了结构的设计;其次,采用蓝宝石刻蚀工艺、激光加工工艺及对蓝宝石三层结构的直接键合工艺完成了对传感器的工艺加工;最后,对制造的传感器进行了常温环境下的密封性测试及高温环境下的性能测试,测试结果表明:制造的高温压力传感器具备良好的密封性,且在高温环境下具有良好的线性响应,且温度在900℃时传感器的灵敏度可达3.035 nm/kPa,可以长期在高温环境下稳定工作。     

基于F-P腔的光纤MEMS压力传感器

为了满足航天、工业等领域对微型压力传感器的需求,提出了一种基于非本征型法布里-珀罗腔的光纤MEMS压力传感器。该传感器的传感头由硅片、Pyrex7740玻璃经阳极键合制作而成,传感头与光纤准直器采用紫外胶粘合。法布里-珀罗腔的长度随加载压力的增大呈线性减小趋势,从而引起干涉光谱的变化,采用白光干涉解调方法获得法布里-珀罗腔的长度。实验测试结果表明该传感器在0～1 MPa测量范围内压力-腔长灵敏度为5. 14μm/MPa,线性度达到0. 999;在传感器使用范围0～80℃内,温度灵敏度为2. 6 nm/℃。     

低热零点漂移的高温绝压压力传感器

传统的高温绝压压力传感器一般采用硅和玻璃进行阳极键合来制备绝压腔。由于高温环境下硅片和硼硅玻璃的热膨胀系数不匹配，从而产生较高的热零点漂移。文中提出了一种低热零点漂移的压力传感器设计方案，由硅-玻璃-硅的三层结构代替普通的双层阳极键合结构，并给出了热力学仿真模型。分析表明：改变传感器硅与玻璃的结构比例，实现应力匹配可以有效减小热应力。对芯片进行了高温实验测试，发现传感器的热零点漂移变化率减小了50%。     

表面处理对碳化硅直接键合的影响研究

SiC的直接键合对于许多应用于高温环境的MEMS微器件有着非常重要的应用价值,但是晶片的表面处理是影响SiC直接键合的关键因素。设计中采用改进后的湿法清洗方法和等离子体处理对晶片表面进行处理;从而得到满足直接键合的洁净度和粗糙度。最后利用热压法实现了SiC的直接键合,并且估计其键合能为14.47 MPa。     

基于硅酸镓镧的声表面波高温压力器件的微结构加工制造技术研究

采用硅酸镓镧(Langasite,LGS)压电材料制备声表面波(Surface acoustic wave,SAW)高温压力传感器可解决高温、高压等恶劣环境下温度、压力等参数的实时原位测试的问题,但由于硅酸镓镧是一种高硬度难加工的硬脆性压电材料,因此开展了硅酸镓镧压电材料在高温等恶劣环境下的微结构加工制造技术的研究.通过分析LGS的化学与物理特性,利用湿法腐蚀工艺实现LGS的微纳成形制造和控制;以及利用高温热压直接键合工艺实现密封空腔的制造,研制出一套适用于LGS等硬脆性材料的微纳结构成形制造技术,并探究了微结构加工制造工艺的实用性.利用微结构加工制造技术实现的压力敏感微结构制备了基于LGS的SAW高温压力传感器样机并进行了测试,样机在25～1000℃、20～500 kPa环境下能稳定工作,验证了LGS微纳结构成形制造技术在高温等恶劣环境下应用的可行性.     

耐高温合金薄膜压力传感器的设计及仿真分析

研制高温恶劣环境适用的压力传感器具有重要的工程实际意义。文中设计了以蓝宝石为弹性膜片,溅射合金薄膜为应变电阻的耐高温压力传感器。通过有限元软件计算分析了弹性膜片的应力应变分布,并对膜片厚度进行了优化设计。     

基于模型识别的高温微型压力传感器

高温测量是急需解决的测量问题之一。介绍一种将放大电路与信号传感器件分离的基于模型识别技术的高温微型电容式压力传感器。电阻电容信号滤波网络和信号的模型识别组成一个微型传感系统，在对滤波网络进行激励和模型识别后就可以得到变化的电容值。这种MEMS技术制作的硅玻璃键合的电容式压力传感器，可以在小于300℃环境下工作。此高温测量系统既满足高精度测量的要求，也避免了在高温环境中进行信号放大的难题。     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器研究

对基于Fabry-Perot（F-P）干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺进行了实验研究。在单模光纤端面上直接熔接外径约175μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而在光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔。首先采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片的方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0-3.1MPa压强范围内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09nm/MPa,压强测量分辨率681Pa,并具有很小的温度敏感系数。在30-140℃的温度范围内,温度交差敏感小于1.07KPa/℃。为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料（PSQ）作为压力敏感膜片制作了F-P传感器,室温下在0.1-2.1MPa压强范围内PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到 1 886.85nm/MPa,压强测量分辨率达到53Pa。     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器

为满足工业和生物医学领域对微型化传感器的需求,实验研究了基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺.在单模光纤端面上直接熔接外径约175 μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而使光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔.采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片等方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0～3.1 MPa内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09 nm/MPa,压强测量分辨率为681 Pa,并具有很小的温度敏感系数.在30～140 ℃,温度交差敏感＜1.07 kPa/℃.为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料(PSQ)作为压力敏感膜片制作了F-P传感器.室温下在0.1～2.1 MPa,PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到1 886.85 nm/MPa,压强测量分辨率达到53 Pa,十分接近人类或其他动物的体内压强测量水平.     

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。     

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.     

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。     

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。     

我国射线化学合成SiC纤维及相关材料的现状与展望

传统CVD法合成的SiC纤维其最高使用温度仅有900℃,氧化先驱丝法制备的SiC纤维也只能用于1 000℃以下。主要介绍了我国射线化学合成法制备耐高温抗氧化的SiC纤维(使用温度高于1 600℃,单丝抗拉强度达2.2～2.7GPa)的系列关键技术,及其基于这些技术制备圆形截面管状SiC纤维(外径为10～15μm,壁厚2～3μm)的技术;同时也简介了射线化学应用于纳米微孔SiC功能陶瓷以及SiCf/SiC陶瓷基复合材料等方面的研究进展。     

A diaphragm-type fiber Bragg grating pressure sensor with temperature compensation

A diaphragm-type fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor with two bare FBGs directly bonded on a circular diaphragm along the radial direction has been proposed and studied. Measurement principle and simulation analysis of the pressure sensor are introduced. Using the wavelength shift difference of the two FBGs which respectively measure the positive and negative strain as sensing signal, the pressure sensitivity is increased and the temperature cross-sensitivity is compensated. Experimental results indicate that the measurement sensitivity is 1.57 pm/kPa in a range from 0 to 1 MPa, the correlative coefficient reaches 99.996%, and the temperature compensation performance is distinct. This kind of pressure sensor could be used to measure and monitor the static/dynamic pressure of gas or liquid.     

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.