高靈敏度壓阻式碳化硅壓力傳感器設(shè)計與仿真.pdf

1、壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應。目前擴散硅（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體材料的典型代表，具有寬禁帶、高熱導率、高擊穿場強和優(yōu)良的機械性能，在高溫、高頻、大功率和惡劣環(huán)境有重要的應用，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；通過有限元仿真分析，研究了敏感膜片擾度和應力的分布規(guī)律。設(shè)計滿量程為1.5 MPa時，敏感膜片的最優(yōu)尺寸為半徑800μm、膜厚40μm?；趬鹤栊脑恚芯苛藟鹤钘l排布對輸出信號的影響規(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壓力下輸出信號為88.57mV，靈敏度為11.81μV/V/kPa，高于文獻報道的同類型壓力傳感器指標?；趬鹤璺抡娣治?，研究了壓阻條尺寸及位置、敏感膜片尺寸和環(huán)境溫度等因素對傳感器輸出信號的影響規(guī)律。輸出信號與壓阻條的厚度關(guān)系不大，但強烈受壓阻條位置的影響，當邊緣處壓阻條位置距中心800μm時具有最高的輸出特性；輸出信號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；輸出信號受溫度影響較大，溫度越高，輸出信號越小，因此SiC壓力傳感器在高溫下工作性能下降?；贏lN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力分布。結(jié)果表明，500C下AlN和SiC材料之間的熱應力遠小于芯片受壓后產(chǎn)生的機械應力，熱應力對信號的輸出影響非常小，且不會導致芯片和封裝材料之間的破裂。對傳感器進行了模態(tài)、諧響應、瞬態(tài)響應的結(jié)構(gòu)動力學分析，芯片模型具有很高的固