高靈敏度壓阻式碳化硅壓力傳感器設(shè)計(jì)與仿真.pdf

1、壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。目前擴(kuò)散硅（Si）壓力傳感器受制于Si材料自身的限制，需要冷卻系統(tǒng)才能工作于高溫環(huán)境。碳化硅（SiC）是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和優(yōu)良的機(jī)械性能，在高溫、高頻、大功率和惡劣環(huán)境有重要的應(yīng)用，SiC壓力傳感器不需冷卻系統(tǒng)有望在高溫惡劣環(huán)境下使用。但是由于SiC材料的壓阻系數(shù)小，傳感器存在滿量程輸出小、靈敏度低等問(wèn)題。本文基于SiC材料，理論分析和有限元仿真

2、相結(jié)合，設(shè)計(jì)了高靈敏度SiC壓力傳感器，仿真了傳感器的工作特性，研究了影響輸出信號(hào)的因素。
　　本文從彈性膜片的小擾度理論出發(fā)，基于線性度原則、靈敏度原則和安全性原則，根據(jù)信號(hào)輸出特性，研究了壓力傳感器滿量程與敏感膜片尺寸的關(guān)系；通過(guò)有限元仿真分析，研究了敏感膜片擾度和應(yīng)力的分布規(guī)律。設(shè)計(jì)滿量程為1.5 MPa時(shí)，敏感膜片的最優(yōu)尺寸為半徑800μm、膜厚40μm?；趬鹤栊?yīng)的原理，研究了壓阻條排布對(duì)輸出信號(hào)的影響規(guī)律，施加壓力后

3、，圓膜式傳感器邊緣處的壓阻條阻值減小，中心處壓阻條的阻值增大；優(yōu)化后芯片在1.5 MPa壓力下輸出信號(hào)為88.57mV，靈敏度為11.81μV/V/kPa，高于文獻(xiàn)報(bào)道的同類型壓力傳感器指標(biāo)?；趬鹤璺抡娣治觯芯苛藟鹤钘l尺寸及位置、敏感膜片尺寸和環(huán)境溫度等因素對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響規(guī)律。輸出信號(hào)與壓阻條的厚度關(guān)系不大，但強(qiáng)烈受壓阻條位置的影響，當(dāng)邊緣處壓阻條位置距中心800μm時(shí)具有最高的輸出特性；輸出信號(hào)受敏感膜片尺寸影響非常大，靈

4、敏度與膜片半徑和膜厚的比值（a/t）的平方成正比；輸出信號(hào)受溫度影響較大，溫度越高，輸出信號(hào)越小，因此SiC壓力傳感器在高溫下工作性能下降。基于AlN和SiC有相似的物理性能，仿真分析了AlN封裝后傳感器的熱應(yīng)力分布。結(jié)果表明，500C下AlN和SiC材料之間的熱應(yīng)力遠(yuǎn)小于芯片受壓后產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，熱應(yīng)力對(duì)信號(hào)的輸出影響非常小，且不會(huì)導(dǎo)致芯片和封裝材料之間的破裂。對(duì)傳感器進(jìn)行了模態(tài)、諧響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，芯片模型具有很高的固