通用型高温压阻式压力传感器研究

针对石油化工等领域高温下压力测量的要求,设计了压阻式压力传感器硅芯片,采用SIMOX 技术SOI晶片,在微加工平台上制作了硅芯片.对不同的用户工况设计了装配结构,采用耐高温封装工艺,研究了耐高温微型压力传感器封装材料匹配与热应力消除技术,解决了内外引线的技术难点.从低成本、易操作性出发,设计了温度系数补偿电路,研制了精度高、稳定性佳的耐高温通用压力传感器.     

无引线封装的SOI压阻式压力传感器设计

在SOI晶圆材料的基础上,设计了压力敏感结构,提高了传感器的高温稳定性;采用敏感芯片背孔引线技术,将硅敏感芯片的正面和硼玻璃进行气密性阳极键合,通过在硼玻璃对应位置加工电极连接孔,实现芯片电极与外部管脚的电气连接,形成无引线封装结构;利用ANSYS软件对敏感芯片进行了力学仿真,对高温敏感芯体进行了热应力分析,完成了无引线封装结构的优化及制作。通过性能测试,该传感器测量范围为0~0.2 MPa,灵敏度为55.0 m V/MPa,非线性误差小于0.2%。     

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。     

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。     

SOI压力传感器及其应用

SOI压力传感器是一种新型的、先进的物性型压力传感器.其采用硅氧化物实现压力芯片的敏感元件和与基片之间的电隔离,替代传统的pn结电隔离技术,打破极限使用温度上限的局限性,不存在微漏电通道,保障在高温条件下长期稳定工作.SOI压力传感器可广泛应用于石油、化工、冶金、航天、航空、船舶等领域的高温压力检测,极好地解决了高温传感器性能指标稳定性差,高低温宽温区的性能兼容性和分散性较大,环境试验适应性差、寿命短和可靠性低等技术难题.     

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。     

基于SOI晶圆材料的硅微压传感器

为解决硅微压传感器制作过程中存在的问题,以SOI晶圆材料为基础,使用有限元方法优化设计岛-膜型1kPa压力敏感结构,采用MEMS工艺完成传感器芯片制作,并对封装后的传感器进行了测试。测试结果表明,传感器输出灵敏度大于60 mV/kPa,非线性小于0.1%FS,精度小于0.5%FS,器件具有较好的性能指标。     

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.     

基于SIMOX技术的高温压力传感器研制

应用氧离子注入 (Separation by Implantation of Oxygen) SIMOX技术 ,制作适合于高温环境条件下的固态压阻式硅隔离 (SOI)压力敏感元件。采用了一种新型梁膜结合封装工艺 ,有效地解决了被测压力高温冲击问题 ,可应用于航空、航天发动机等恶劣环境下的压力测量。     

一种压阻微差压传感器的设计与无应力制造

介绍了一种MEMS硅压阻微差压传感器的力学敏感元件设计及无应力制造与封装技术.使用双岛梁膜结构,取得了很高的输出灵敏度及优良的线性度.合理的钝化层应力互补技术是无应力制造技术的核心.衬底强化设计和O型圈悬浮封装的巧妙结合实现了无应力封装.使用这些技术生产的微差压传感器已在多年的生产实践中和重大科研中成功应用.     

光纤光栅管式封装工艺研究

使用了外径0.8mm、内径0.58mm、长度40mm的不锈钢钢管作为套管材料,对光纤光栅进行了保护型封装,并且提出了单头式和双头式两种光纤光栅温度传感器的管式封装方法,制作得到只对温度敏感的温度传感器。通过应力拉伸试验检验了封装的可靠性,并采用水浴试验研究了其温度传感特性。结果表明,单头式封装方式比双头式封装效果更好,依然保持着非常好的波长与温度之间的线性关系,线性拟合度均达到0.997以上,并且均得到很好的重复性。采用该封装工艺可以有效地解决光栅交叉敏感问题,从而满足了一些对光纤光栅传感器尺寸和兼容性要求较高的场合的需要。     

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。     

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。     

The design and analysis of beam-membrane structure sensors for micro-pressure measurement

This paper reports the design and analysis of a type of piezoresistive pressure sensor for micro-pressure measurement with a cross beam-membrane (CBM) structure. This new silicon substrate-based sensor has the advantages of a miniature structure and high sensitivity, linearity, and accuracy. By using the finite element method to analyze the stress distribution of the new structure and subsequently deducing the relationship between structural dimensions and mechanical performances, equations used to determine the CBM structure are established. Based on the CBM model and our stress and deflections equations, sensor fabrication is then performed on the silicon wafer via a process including anisotropy chemical etching and inductively coupled plasma. The structure's merits, such as linearity, sensitivity, and repeatability, have been investigated under the pressure of 5 kPa. Our results show that the precision of these equations is ±0.19%FS, indicating that this new small-sized structure offers easy preparation, high sensitivity, and high accuracy for micro-pressure measurement.     

基于赝电容的高线性度柔性压力传感器研究

基于可逆氧化还原反应的赝电容式柔性压力传感器具备高灵敏性能,可用于微弱压力检测,然而,目前赝电容式柔性压 力传感器线性度较差,只能在有限压力区间内保持较高灵敏度。 为此,本文利用 MXene 材料作为电极,设计了一种内部具有孔 隙且表面粗糙的双尺度随机微结构离子凝胶膜,增加了其压缩过程中的缓冲空间,使凝胶膜应力变形更加均匀,确保了灵敏度 在受压过程中保持稳定。 实验数据表明,传感器在 0 ~ 1 MPa 范围内具有超高的线性度(相关系数 ~ 0. 994),优异的灵敏度 ( ~ 2 133. 7 kPa -1 )、快速的响应和恢复时间(分别为~15 和~23 ms),较低的检测限( ~ 2. 5 Pa)和优异的机械稳定性。 将传感器 用于水下,可高线性检测水深,同时传感器可以高灵敏检测到不同水深下螺旋桨扰动产生的微弱水流变化。     

Design and fabrication of a six-dimensional wrist force/torque sensor based on E-type membranes compared to cross beams

This paper presents a novel device for measuring components of forces and moments along and about three orthogonal axes based on E-type membranes compared to conventional sensor based on cross beams. After design and analysis of both types of sensors, we chose to fabricate a six-dimensional wrist force/torque sensor based on E-type membranes. Furthermore, the calibration and decoupling based on Neural Network method were performed, and the sensor possesses excellent characteristics such as high measurement sensitivity, overload protection, good linearity, and weak couplings between components. Finally, its maximum interference error and nonlinearity error are 1.6% F.S. and 0.17% F.S., respectively.     

一种光纤光栅渗压计的研制

为解决传统电类渗压传感器在野外使用时易受雷击,在复杂电磁干扰下受干扰严重难以正常工作,且测量信号不易远距离传输,不带温度补偿功能等问题,该文设计了一种带温度补偿的光纤式渗压传感器,重点阐述了光纤光栅渗压传感器工作原理和结构设计,参照相关标准对传感器性能进行了验证,其重复性误差0.5%FS,迟滞误差0.5%FS,综合误差1%FS。实验结果表明,该传感器测量精度高,测量稳定性好,特别适合于在水利水电工程、交通工程、市政建筑等领域渗透压力、扬压力的测量。     

An ultra-high pressure sensor with cylinder structure

Based on strain-resistance effect, an ultra-high pressure sensor has been developed with the range of 0–500 MPa. It is mainly composed of the elastic element and sensitive element. This sensor’s range is determined by the elastic element’s structure and material. In order to endure the ultra-high pressure, the elastic element’s material is selected as spring steel, and its structures are analyzed and simulated. After that, the metal strain gauge as the sensitive element is packaged on the elastic element. Then the sensor is developed after some compensation processes are carried out. In the end, the sensor is calibrated. The results show that the sensor has good performance, such as the accuracy of 0.35%FS, which meets the requirements of aerospace, weapons and other fields.     

Computer aided modelling and diaphragm design approach for high sensitivity silicon-on-insulator pressure sensors

Silicon on insulator (SOI) pressure sensor diaphragm is a composite structure of the buried oxide and the SOI layer. This paper brings out the inadequacy of the existing analytical model in describing the deflection response of SOI square diaphragms and focuses on the computer aided burst pressure incorporated high sensitivity design approach using IntelliSuite for SOI pressure sensors. The simulation results indicate that the maximum sensitivity is achieved at a side length of 800 μm for burst pressures of 10 and 5 MPa and at 900 μm for burst pressure of 2 MPa. The new modified analytical model developed and presented in this paper for describing the load–deflection performance of SOI composite diaphragm is able to predict the deflection accurately when compared with deflection obtained by IntelliSuite FEA thus illustrating the validity of the computer aided design approach. Further the new model has demonstrated that the existing analytical model overestimates the deflection and hence inadequate for application to SOI pressure sensors. The subsequent piezoresistive analysis carried out on these SOI sensors also confirms these findings and the maximum sensitivity that can be achieved is estimated to be 56 mV/MPa/V for the burst pressure of 5 MPa. The experimental results reported in the literature have been compared with the simulation results to validate the design approach presented in this paper.     

高体积分数SiC/Al焊接结构应用于空间相机的稳定性研究

针对焊接工艺应用于高体积分数SiC/Al复合材料的不成熟性研究了焊接工艺应用于航天遥感器机身结构的的稳定性。根据光学设计公差分析结果和机身的结构形式,提出了通过运用经纬仪和三坐标测量机测量角量和线量的验证原理,论证了胶接工艺的可行性。对机身进行了热循环试验,标定了实验前后各测点的角度以及距离,对实验前后的数据进行了比较。结果表明,机身最大转角俯仰方向为2.1″,方位方向为2.3″,机身三个方向的最大距离变化分别为0.034mm,0.044mm,0.034mm,焊接工艺应用于高体积分数SiC/Al复合材料,能够满足设计指标为转角小于5″,距离公差±0.05mm的设计要求。