基于SOI高灵敏高过载梁膜结构微压传感器研究

This project reports a kind of high sensitivity and overloads micro pressure sensor with beam-membrane structure and relative MEMS fabrication process on the material of SOI（Silicon On Insulator）. The cross beam-membrane structrue is proposed on the basis of the principle of piezoresistive and theory of plate and shell; SOI, a thermostability material, is adopted as the substrate for MEMS fabrication. The main research is focus on the analysis of elastic structure; analysis of the relationship of deflections and sensitivities; comparison of performances between cross beam-membrane and traditional ones through simulation; provide the design principle of cross beam-membrane structure; deduce the mechanics equations of new structure, including deflections and stress on the basis of established model; devise the resistance structures; present the process of fabrication and packaging plan. This study will provide a new idea and plan for resolving the traditional problems of piezoresistive sensor for micro pressure measurement, such as unstable performances at high temperature; contradictory between sensitivity and linearity. This kind of sensor will be widely applied in the field of micro pressure measurement.

本项目提出高灵敏、高过载微压传感器梁膜结构及基于绝缘衬底上的硅SOI（Silicon On Insulator）的MEMS制作工艺。以压阻效应及板壳理论为基础提出了"田"字型梁膜结构压力传感器；以耐高温绝缘衬底上的硅材料为基底，研究其MEMS制作工艺。主要研究内容包括压力传感器结构弹性力学分析、分析压阻式压力传感器结构挠度与灵敏度变化过程、将"田"字型梁膜结构与传统压阻式压力传感器结构进行仿真比较、给出"田"字型梁膜结构压力传感器设计的原则、根据建立力学模型推导"田"字型梁膜结构相应的挠度及应力公式、设计压敏电阻、提出相应的制作工艺和测试封装方案。该研究为目前微压传感器制作领域提供了新的设计理念与方案，相应的设计及制作方案，解决压阻式微压传感器的温度稳定性差，灵敏度与线性度矛盾的问题，推动该传感器在微压测量领域的广泛应用。

微压传感器作为压力传感器的一种常用传感器，被广泛应用于风洞测试，生物医电及石油化工，铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天领域。在航空航天或铁路交通中，人会由于空气压力波动产生的微压波而感到不适，本项目主要针对此问题，进行高灵敏度微压传感器的研究制作，并提出了梁膜结构及相关的MEMS制作工艺。主要研究内容包括压力传感器结构弹性力学分析、分析压阻式压力传感器结构挠度与灵敏度变化过程、将 "田"字型梁膜结构与传统压阻式压力传感器结构进行仿真比较、给出"田"字型梁膜结构压力传感器设计的原则、根据建立力学模型推导"田"字型梁膜结构相应的挠度及应力公式、设计压敏电阻、提出相应的制作工艺和测试封装方案。.本研究提出了两种微压传感器结构，梁膜结构和梁膜岛结构，通过有限元对新型结构进行设计和仿真优化，对传感器不同结构尺寸进行仿真，获得其力学特性，包括挠度及最大应力，经过优化确定影响微压传感器力学性能的最优的尺寸参数，同时对各个尺寸所获得的最大应力及挠度曲线进行拟合，推导得出新型梁膜结构压力传感器的最大应力及挠度公式。对传感器在微压高过载状态下的性能输出进行研究，通过仿真、对比分析，发现梁膜结构和梁膜岛结构在微压测量中的力学特性差异，其中梁膜结构过载能力较差，而梁膜岛结构在原来的梁膜结构基础上通过附加质量块起到限位防过载作用，但是却牺牲了其灵敏度输出，并且由于质量块在加速度及振动干扰下会产生较大的干扰信号，因此对微压传感器在高灵敏测量需求中的干扰信号解耦带来了问题。为了解决以上问题本课题创新性的提出了一种新的传感器结构，将限位质量块与敏感芯片分离，通过与带限位块的玻璃与敏感芯片以键合方式来实现。开发了一套适合于梁膜结构的微压传感器加工工艺流程：由于梁膜结构传感器需要对基片进行双面刻蚀，因此在工艺流程设计中除了要考虑传感器双面对准的问题，此外，还要考虑如何在传感器正面SOI材料氧化层获得梁结构，本课题通过在体硅进行正面ICP 刻蚀获得十字梁，再在硅基体的背面刻蚀出腔体，形成承压膜。.该研究为目前微压传感器制作领域提供了新的设计理念与方案，相应的设计及制作方案，解决压阻式微压传感器的温度稳定性差，灵敏度与线性度矛盾的问题，推动该传感器在微压测量领域的广泛应用。