周伟[1]2006年在《基于倒装技术的MEMS电容式压力传感器研究》文中认为MEMS压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用。电容式压力传感器是MEMS压力传感器的一种主要类型,其根本原理是将压力变化值转换为电容的变化。在专用集成电路迅速发展的今天,MEMS电容式压力传感器不仅可以充分发挥其低功耗、低温漂、高灵敏度等诸多优势,其信号处理电路相对复杂的难题也正逐步得到解决。目前而言,如何解决真空密封及真空腔内电极的引出,进而降低绝对压力传感器的制作成本是电容式压力传感器设计的突出问题。倒装技术因其小尺寸、短互联、高可靠性与高适应性等优点,在高频、微波及MEMS器件中应用很广。本文即是在借鉴芯片倒装技术的基础上,提出一种新型的电容式绝对压力传感器结构,在传感器芯片上通过电镀制作出柱状凸点,柱状凸点由可回流和不可回流两部分材料组成。不可回流的铜基座用以维持整个结构的高度稳定,而焊料部分则可以通过回流焊接与敏感膜片封接在一起,实现气密封装和电路集成,并通过金属凸点完成电极的转移。这样简单有效地解决了真空密封及真空腔内电极的引出问题。本文首次提出了采用倒装技术中的柱状凸点来进行MEMS器件的气密封装,有效地克服了键合技术强烈依赖芯片表面状况的缺点,该方法采用典型的低温工艺,只要求在MEMS器件表面制作金属环,对MEMS器件加工的影响很小,并且适合塑料封装。另外还可以直接使用CMOS电路芯片作为密封的基板。对电容式压力传感器进行了理论分析,对于压力传感器的核心部件弹性敏感薄膜分别用小挠度理论、大挠度理论和有限元方法进行了力学分析。利用求得的解析公式对敏感电容进行计算,并分析了电容同结构尺寸之间的关系。同时还对传感器静态特性中的灵敏度、线性度和温度效应进行了分析与计算。基于国内的MEMS加工现状,提出了一条切实可行的工艺设计方案,并对工艺流程进行了优化,不包括凸点制备,整个加工只用到五块光刻版,这样大大地简化了传感器的制作过程,使工艺的成品率得到提高。研究了电容式压力传感器结构中密封腔的获得及气密封装设计等相关问题,引入基于倒装的气密封装技术。在探讨MEMS封装特点的基础上,对倒装凸点工艺及其特点进行了分析。从理论与实验的角度详细研究了凸点的回流焊接工艺。之后通过所设计的压力传感器对封装的效果进行了测试与评估,获得了较好的密封性能。研究了电容式压力传感器的信号处理问题,着重分析了采用交流电桥、电荷放大和开关电容等方法进行微电容测量的基本原理,并对电容-频率变换电路进行了详细设计。对设计的压力传感器样品进行了测试,测得的传感器具有良好的线性、重复性和迟滞特性。在0.6～1atm的范围内,静态输出电容最高达到44.72pF,此时的满量程电容变化量为3.86pF,最低为7.35pF,满量程电容变化0.37pF。还对传感器进行了可靠性试验,结果良好。在此基础上,对传感器的特性进行了分析,也提出了改进的方法。MEMS器件的密封到目前已经涌现出了许多方法,但还没有一种技术得到广泛的认可。本论文的最大贡献就是提出了基于倒装的凸点密封工艺,为包括压力传感器在内的各种MEMS器件找寻到了一种易于标准化集成制造、低成本高可靠性的气密封装方案。
郭强[2]2008年在《基于单晶硅的电容式压力传感器的设计与检测》文中研究指明接触式电容压力传感器(TMCPS)与其它类型压敏器件相比有着明显的优点,例如较好的线性,高的灵敏度和大的过载保护能力等。它在工业生产、医疗卫生、军事及科学研究等众多领域有着广泛的应用。目前国内对基于微机电系统(MEMS)的电容压力传感器的研究还很不成熟,过分依赖进口的情况制约了科学技术的发展。因此,开发出一种实用的基于MEMS技术的具有高灵敏度和高度线性的压力传感器已经成为传感器研究中亟待解决的问题。为了达到更好的性能,本文设计了双凹槽接触式电容压力传感器(DTMCPS),这种新型的结构是在传统的TMCPS的底部电极上刻蚀了一个浅槽。文中应用小变形理论和有限元法分别对膜片的变形进行了分析。分析结果表明,DTMCPS为解决不能同时获得高灵敏度和大线性范围的矛盾提供了一种有效的途径。与现有的接触式电容压力传感器相比,这种结构可以在保持高灵敏度的前提下实现更大的线性范围。另一方面,传感器的结构没有使加工工艺复杂化,从而没有明显地增加加工成本。本文在理论分析基础上设计了传感器的结构及加工工艺流程。传感器的结构建立在SOI材料上,在关键工艺中采用硅熔融键合技术。在加工中,仅使用了三块光刻用的掩膜板,简化了加工过程。为了检测传感器的性能,本文研究了电容式压力传感器的信号处理问题。在分析了包括谐振式、电桥式、运算放大器式、脉冲式、振荡器式等微电容测量电路的基本原理及特点之后。着重针对基于运算放大器原理的电路进行了具体的设计和加工。它包括一个全波整流电路和正弦信号源。最后,本文测试了传感器样本的性能,分析了测试结果中误差产生的原因并提出了改进方案。
包宏权[3]2016年在《压力传感器结构设计和优化分析》文中提出压力传感器广泛应用于工业控制、生物医疗、环境检测、航空航天等领域,是工业实践中最为常用的一种传感器。在众多原理的压力传感器中,压阻式压力传感器由于制造工艺简单,具有良好的线性度,同时直接输出电压信号,并且简化了传感器与后续电路的接口问题等优点,占据了MEMS压力传感器的主流市场。当一个压力传感器从设计到加工制作,直到最后正式投入工业实践应用之前,为了确保加工制作出的传感器性能符合设计要求,必须先要经过测试、标定等一系列环节来研究分析及优化传感器的性能。传统的压力传感器检测方法是将压力传感器放置在压力箱,通过给压力箱设定不同的压力值,使得整个压力箱中的压力满足测试条件,利用这一方法来模拟实际压力环境。针对传统检测方法,本文首次提出了将静电力应用于压力传感器的检测环节,有效地解决了压力传感器传统检测及标定效率低、耗时长的缺点。本文对设计加工出的压阻式气压传感器进行测试,实验测得本次气压传感器的灵敏度为1.77mV/hPa,非线性度为1.19%,各项实验结果表明压阻式压力传感器具有良好的线性、重复性和迟滞特性。同时,用静电检测结构进行测试,测试结果表明,对于本结构尺寸的气压传感器,静电检测可以在量程110hPa-500hPa内代替气压箱施加气压变化,测得气压传感器在静电力作用下的传感器特性。在此基础上,对传感器的特性进行进一步分析,也提出了改进的方法。本论文主要完成的工作分为四个部分：1.针对本文提出的复合膜压阻式传感器结构,进行理论建模,给出了周边固支可动电极在驱动电压作用下静电力的数学解析模型,并进行结构优化分析。2.用ANSYS有限元仿真软件对压阻式压力传感器结构进行建模仿真,其中包括弹性复合敏感膜在外加压力负载作用下的挠度与应力分布。同时,仿真分析了弹性复合敏感膜在静电力作用下的挠度与应力分布,分析施加外力与静电力之间的关系,验证数学解析模型。3.基于华润上华MEMS加工现状及中科院纳米所纳米加工平台的工艺设备,提出了一条基于倒装焊的静电检测气压传感器工艺设计方案,加工制作出气压传感器及其检测结构。4.对气压传感器的工作性能进行传统测试与静电检测分析。实验结果显示,在110hPa-500hPa量程内静电力可以代替压力。测得本次气压传感器的灵敏度为1.77mV/hPa,非线性度为1.19%,极大地缩短了测试时间,提高了稳定性。
詹林献[4]2009年在《MEMS器件的可靠性研究与测试系统的开发》文中研究说明目前MEMS器件已经在很多领域都有广泛的应用,与其他产业相比,其产量却十分有限,而造成这种商业化瓶颈的主要原因是技术供应商在MEMS器件的可制造性、可测试性、可靠性等方面的解决方案能力不足。鉴于MEMS器件的门类、品种繁多、所用的敏感材料各异以及MEMS制造技术的多样性和复杂性,本论文则主要针对两种典型的MEMS器件(RF MEMS开关与电容式MEMS压力传感器)进行相关的研究,为MEMS器件更进一步的发展提供技术的积累。电容式RF MEMS开关的商业化一直受阻于可靠性问题:开关电介质的充电效应引起开关致动部件的粘连现象。本文中,为了研究开关电介质的充放电机制,我们建立一个新的基于金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的理论模型。在不影响开关性能的前提下,主要从以下这两方面来研究减少开关电介质的的电荷积累:(1)减少电荷的注入;(2)提高电荷在电介质中的复合速度。实验中,采用三个实验方案来减少电介质中的电荷积累:①设计电压致动波形以中和注入电介质中的正负电荷;②通过对电介质层掺杂创造电荷复合中心,加速注入电荷的弛豫过程;③制备复合介质薄膜,创造界面电荷复合机制,加速注入电荷的消逝。期望该研究工作能为提高电容式RF MEMS开关的可靠性提供理论支撑和技术积累。同样的,MEMS器件的研究进展也离不开其工程测试技术的提高。近年来,随着MEMS技术的迅速发展,从客观上要求测试仪器向自动化、智能化方向发展。本论文提出一套基于虚拟仪器、数据采集卡和图形化编程语言LabVIEW的MEMS压力传感器测试系统的构建方案。其工作原理为:以计算机为控制中心,通过设定恒温的测试环境,采用数据采集卡对信号进行动态采集,最后利用LabVIEW工具包数据处理模块进行数据的处理、显示以及报表打印,从而最终达到自动测量传感器的目的。该系统可实现信号的采集、处理和发送,解决了复杂的现场连线,并且具有成本低、实用性强、移植性好等优点。本文对这两种典型的MEMS器件进行相关的研究,并且取得了一定的进展,然而挑战依然存在,MEMS的发展需要人们更多的科学研究和技术积累。
凌灵[5]2008年在《基于非硅MEMS的新型微机械加速度计若干技术的研究》文中指出加速度传感器就是MEMS技术应用的一个重要领域之一。MEMS惯导加速度传感器是微惯性测量组合(MIMU)的核心部件,在军用航空和民用相关领域有重要的发展前景,研究高性能的MEMS惯导加速度计已成为世界各国的研究热点。基于MEMS技术制造出的微机械加速度计不但具有体积微小化、功能集成化的特点,而且可靠性得到了提高,并且降低了成本,这对于许多高新技术领域的发展具有重要意义。本文以目前最具吸引力的电容式微加速度计作为研究对象,对其总体结构、加工工艺进行了设计,并对加工出的微加速度计进行了电路测试。具体包括以下几个方面:1对微加速度计的工作原理及检测原理进行了分析。2确定电容式微加速度计作为研究对象,分析了电容式微加速度计的几种典型结构,综合性能指标及加工的难易程度选择了相对简单的三明治式结构。为了改善器件性能,提高量程,采用多轴结构,并将上、中、下极板设计为高对称性的圆形结构。利用ANSYS软件对结构进行仿真分析。且通过下极板的特殊设计,实现微加速度计对称性的检测,使其具有自检功能。3加工工艺的研究设计。结合实验室工艺水平,制定以非硅MEMS加工技术为基础的工艺流程。整个工艺流程主要包括玻璃工艺、刻蚀工艺、牺牲层释放工艺和焊接工艺等几部分,涵括了溅射、光刻、电镀、干法刻蚀、湿法腐蚀等典型的工艺步骤。4电路性能检测。使用电容测试专用芯片MS3110对加工出的微加速度计进行检测,利用单片机实现对MS3110的内部参数调节,使其工作在较好的线性范围和灵敏度条件下。实验数据的采集通过LabVIEW采集卡实现。按照设计的工艺流程,成功的加工出了三明治式结构的下极板和中间极板,积累了一定的工艺经验。通过检测芯片对其进行检测,分析采集数据,表明加工出的器件具有较好的对称性。
王育才[6]2007年在《“8悬臂梁—质量块”结构的新型微加速度计研究》文中研究表明微机械加速度传感器是一种重要的惯性器件，在航空航天、汽车工业、石油探测和地震预报等领域中有着广泛的应用。电容式加速度传感器由于具有测量精度高、噪声特性好、漂移低、温度敏感性小和功耗低等优点，受到了广泛关注，是当前微硅加速度传感器的发展主流。本文提出了一种具有“8悬臂梁-质量块”结构的新型三明治式硅微机械电容式加速度计，用微机械加工工艺在(111)硅片上制作出了具有信号输出的器件并完成了初步测试。该加速度计的惯性质量块由在同一(111)硅片上下表面对称分布的8根悬臂梁支撑，这些悬臂梁是利用(111)硅在KOH溶液中的各向异性腐蚀结合深反应离子刻蚀(DRIE)实现的，其尺度精确可控，保证了结构的对称性。具体内容包括：论文的第一章对微机械系统及主要的加工技术，各种MEMS器件及其应用，特别是微机械加速度传感器的研究进行了综述。总结了MEMS技术的应用前景及微机械电容式加速度传感器的研究进展。第二章详细论述了电容式加速度计的数学模型及工作原理，在此基础上提出了新型“8悬臂梁-质量块”结构的电容式加速度计。分析优化了器件的结构参数并进行有限元模拟，通过与传统结构的比较，验证了新结构在模态特性和横向灵敏度方面的优越性。第三章详细阐述了KOH各向异性腐蚀和静电键合等几个关键的加工工艺，设计了器件制作的完整工艺流程，在(111)硅片上制作出了器件样品，并对器件性能进行了初步测试。该加速度计的典型谐振频率为2.08 kHz，品质因子Q为21.4，灵敏度为93.7mV／g，非线性度为3.1％。这一测试结果与设计值比较一致，表明器件的设计正确，工艺流程可行。
许金海[7]2001年在《电容式压力微传感器及其无线测量系统》文中研究指明接触式电容压力传感器不仅具有一般电容式传感器灵敏度高等优点，而且在其测量的压力范围内，传感器的输出电容与载荷呈分段线性关系，因此与其它需要改进电极结构和测量电路进行非线性补偿的电容式压力传感器来讲，具有结构简单、性能优越、抗过载能力和抗干扰能力强等优点。由于微传感器的测量分辨输出电容很小，远远小于皮法，如何提高小电容的测量电路的灵敏度和改善全量程测试中的非线性直接影响传感器的性能。MEMS(Micro Elcetro-Mechanical System)技术和IC(Integrated Circuit)以及计算机技术的发展，使得半导体压力传感器与其测量电路的集成和非线性补偿电路的集成成为可能，这是未来传感器发展的趋势。传感器的微型化发展趋势和IT技术的高度发展，以及某些特殊应用的特殊要求，对传感器的测量精度、测量环境和测量方式提出了更高的要求，而恶劣封闭的测量环境往往要求微型传感器系统具有远程测量的功能。MEMS技术、IC技术和IT(Information Technology)技术的发展为传感器测量系统实现无线化提供了坚实的基础。目前有关MEMS集成系统、无线MEMS技术和基于微传感器的无线MEMS系统在IEEE的各种刊物上已经有一些相关的报道，但相关的产业化研究报道很少。用接触式电容压力传感器为调制信号源的无线传输系统国、内外未见相关报道。本文的主要研究工作如下： 1．以接触式电容压力传感器为基础，通过对它的非线性力学模型的分析，提出了由集成电路构成的考虑力学模型特点的具有非线性补偿的电容测量电路和模型以及由接触式电容压力传感器构成的无线通讯系统。 2．根据接触式电容压力传感器具有两个分段线性测量区域的特点，以模拟乘法器为核心部件，利用它的鉴相特性，设计了高线性度(线性度约为3.42％)和高灵敏度(28mV/pF)的电容测量电路，解决了电容式传感器的小电容测量问题，提出了可实现接触式传感器全量程准线性的测量。 3．为便于实现传感器与测量电路的集成，基于开关电容电路的原理设计出了频率输出的CMOS电容信号处理电路。 4．以MEMS工艺和CMOS电路为基础，对传感器的无线测量电路进行了解析研究，设计了以CMOS吉尔伯特单元为核心的移相键控调制解调无线通讯电路。 5．通过仿真实验和电路实验，验证了电容式压力传感器小电容信号测试和无线测量系统的可行性。
阎文静[8]2012年在《用于汽车轮胎压力监测的接触式电容压力传感器研究》文中研究表明汽车轮胎压力监测系统中的压力传感器因市场的需求一直是人们研究的热点。其中电容式压力传感器因其结构简单、坚固、灵敏度好等特点，在胎压监测系统中有着广泛的应用。电容式压力传感器可分为接触式电容压力传感器和非接触式电容压力传感器。其中接触式电容压力传感器与其它压力传感器相比有着明显的优点，如更具有近线性的输出特性、大压力范围和能够应用在恶劣的环境中。目前国内在接触式电容压力传感器的研制上与国外相比还不到成熟。因此，本课题主要研究采用MEMS加工工艺设计出一种适用于汽车轮胎胎压监测系统的接触式电容压力传感器。本文设计了一种底部固定极板空腔为球冠形状的圆形腔体。其中弹性膜片采用了复合膜的结构，极大地提高了可动极板的耐用性与可靠性，同时提高了它的压力-电容线性度。固定极板设计了球冠形状的圆形空腔。在外界压力下，改变了经典的两极板接触过程，提高了传感器的灵敏度和线性度。其次，因它是应用在汽车轮胎胎压监测系统(100-800千帕)中的，所以设计过程中需要分析和讨论不同的膜片大小和腔体深度参数对接触式电容压力传感器灵敏度和线性度的影响。利用有限元分析法对结构进行模拟分析与验证。本文在理论分析的基础上设计了接触式电容压力传感器的结构和加工工艺流程。在关键的工艺上采用了硅直接键合工艺技术、研磨和化学机械抛光技术。此结构，满足了在汽车轮胎胎压监测下的应用，具有更好的应用价值。
庞济[9]2000年在《微机械加工电容式压力传感器及信号处理技术研究》文中研究说明电容式传感器具有结构简单、灵敏度高，动态特性好、对辐射和强烈振动等恶劣条件适应性强、价格便宜等一系列优点。但是，电容式传感器生产时电容引线困难、输出信号受干扰和温度影响较大、输出特性存在非线性等问题制约了电容式传感器的生产及应用。 本课题中研制了一种新型微机械加工传感器，解决了引线封装问题；设计了一种信号调理电路，解决了微小电容变化量的精密检测和信号放大问题；同时用单片机实现了输出信号的温度和非线性的软件补偿。
平文[10]2017年在《MEMS硅谐振式压力传感器设计》文中认为MEMS(微机电系统)硅谐振式压力传感器利用检测其谐振频率的改变间接测量外界环境压力,拥有体积小,精度高,抗干扰能力强等优点。另外其输出的频率信号是准数字信号,易于和后端数字电路相接。因此,MEMS谐振式压力传感器在精密控制和航空航天等需要高精度测量压力的领域有着重要作用。本文提出一种基于静电激励/电容检测的硅谐振式压力传感器,采用谐振梁和感压薄膜的复合结构作为传感器的敏感结构,对该敏感结构进行理论分析和建模,通过仿真计算,得到了敏感结构在一个大气压下的位移分布和应力分布,谐振频率随压力变化的关系曲线,以及谐振梁最大位移与激励电压的关系曲线。分析比较仿真结果,选择长方形膜作为感压薄膜,确定了谐振梁与感压薄膜的相对位置,得到敏感结构最优尺寸和激励电压的极限值,该敏感结构谐振频率约为19 kHz,灵敏度为149.37 Hz/kpa,激励电压最大不超过42.5 V。在此敏感结构基础上建立了传感器的三层硅结构模型,并进行工艺设计:采用电阻率为0.005 Ω*cm的高掺杂硅片来制作该传感器;用氮化硅来作为掩膜,湿法腐蚀和干法腐蚀相结合来制作敏感结构;硅片之间通过金硅共晶键合进行封装;通过湿法腐蚀实验得到凸角腐蚀数据,完成了掩膜版的版图绘制。
参考文献：
[1]. 基于倒装技术的MEMS电容式压力传感器研究[D]. 周伟. 东南大学. 2006
[2]. 基于单晶硅的电容式压力传感器的设计与检测[D]. 郭强. 厦门大学. 2008
[3]. 压力传感器结构设计和优化分析[D]. 包宏权. 东南大学. 2016
[4]. MEMS器件的可靠性研究与测试系统的开发[D]. 詹林献. 厦门大学. 2009
[5]. 基于非硅MEMS的新型微机械加速度计若干技术的研究[D]. 凌灵. 上海交通大学. 2008
[6]. “8悬臂梁—质量块”结构的新型微加速度计研究[D]. 王育才. 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）. 2007
[7]. 电容式压力微传感器及其无线测量系统[D]. 许金海. 厦门大学. 2001
[8]. 用于汽车轮胎压力监测的接触式电容压力传感器研究[D]. 阎文静. 合肥工业大学. 2012
[9]. 微机械加工电容式压力传感器及信号处理技术研究[D]. 庞济. 大连理工大学. 2000
[10]. MEMS硅谐振式压力传感器设计[D]. 平文. 合肥工业大学. 2017
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