基于纳米硅薄膜超低温压力传感器研究

项目在研究纳米硅薄膜超低温下电子输运特性的基础上，建立纳米硅材料力学敏感模型，揭示纳米硅薄膜在超低温下力电耦合特性和压阻系数的工作条件。以其为敏感元件，设计制造了集成PN结温度传感的超低温压力传感器及其封装技术。对压力传感器在超低温环境下动态、静态测试方法进行了研究，测试、分析了压力传感器的基本性能，同时研究了低温环境下的温度补偿方法。项目预期加工出超低温（20K-100K）MEMS压力传感器，填补国内外在该技术领域的空白。该传感器可广泛应用于液氢、液氧发动机、氢能源、低温工程、超导技术等多个领域。通过探索纳米硅薄膜敏感特性，有望使其广泛应用于超低温条件下各种力学参量的测试。

项目研究了纳米硅薄膜在超低温下电子输运特性，建立了纳米硅材料力学敏感模型，最后揭示了纳米硅薄膜在超低温下的力电耦合特性。以纳米硅薄膜为敏感元件，利用有限元分析法，建模分析了传感器的弹性承压膜的应力场分布情况，确定了多晶硅压敏电阻的位置及其排列方式。结合现有的MEMS工艺条件，设计出合理的工艺步骤，最终经流片，封装得到了集成PN结的超低温压力传感器。同时，搭建了传感器超低温压力测试平台，并开发出了超低温压力传感器动态测试方法和温度补偿方法。对传感器在-253℃至-163℃范围内，进行了零点-温度关系标定，测得传感器的零位变化在±250µV范围内；同时，对压力输出特性进行了标定，结果表明压力传感器的零点输出和灵敏度受温度变化不大。设计制作出的压力传感器能有效的进行超低温（20K-100K）环境下的压力测试，实现了申请书中提出的各项预期指标。此超低温压力传感器具有体积小、成本低等优点，预计将在液氢、液氧发动机、氢能源、低温工程等领域发挥重要作用。