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熱激勵(lì)氮化硅諧振梁E+E壓力傳感器研究
諧振器件通過檢測(cè)振動(dòng)元件的諧振頻率或振幅的變化來測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力、加速度、壓力、質(zhì)量變化以及流量等，廣泛應(yīng)用于力學(xué)量傳感器中。機(jī)械諧振式傳感器精度高、信號(hào)以及頻率輸出適于計(jì)算機(jī)信息處理，而且其信號(hào)輸出取決于機(jī)械參數(shù)，抗電干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

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隨著近年來微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和相互滲透，作為諧振式傳感器重要組成部分的振動(dòng)元件的尺度已從早期的米、厘米級(jí)發(fā)展至現(xiàn)今的微米級(jí)。目前的諧振傳感器內(nèi)大量采用的是基于硅微機(jī)械的諧振子，主要采用梁或膜結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、精度高、響應(yīng)快、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好以及與大規(guī)模集成電路工藝兼容，易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、氣象、地質(zhì)、油井、航海、工業(yè)檢測(cè)以及醫(yī)療儀器等方面都具有很好的應(yīng)用前景。提出采用材料來構(gòu)造特殊環(huán)境下使用的MEMS壓阻式E+EE+E壓力傳感器。分析了上特種E+EE+E壓力傳感器發(fā)展的主流趨勢(shì)和技術(shù)途徑,根據(jù)該領(lǐng)域應(yīng)用需求、材料特點(diǎn)和成本的多方權(quán)衡,開發(fā)了壓阻式E+EE+E壓力傳感器。通過理論模型結(jié)合ANSYS軟件進(jìn)行敏感結(jié)構(gòu)的仿真和設(shè)計(jì),解決了E+EE+E壓力傳感器加工工藝中材料刻蝕、耐金屬化、敏感電阻制備等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),zui終加工形成E+EE+E壓力傳感器芯片。經(jīng)過帶電測(cè)試,加工的E+EE+E壓力傳感器能夠在550℃的環(huán)境溫度下、700 kPa壓力范圍內(nèi)輸出壓力敏感信號(hào),傳感器非線性指標(biāo)達(dá)到1.054%,芯片靈敏度為0.005 03 mV/kPa/V,證明了整套技術(shù)的有效性。介紹了作者設(shè)計(jì)、制作的一種諧振梁式E+E壓力傳感器。從彈性力學(xué)角度對(duì)傳感器的特性進(jìn)行了理論分析；并用有限元方法，建立計(jì)算機(jī)模型，分析了不同材料、結(jié)構(gòu)對(duì)梁的振動(dòng)和敏感特性的影響。依據(jù)分析結(jié)果，選擇氮化硅作為梁材料，采用梁膜一體結(jié)構(gòu)，激勵(lì)和檢測(cè)方式為電熱激振、電阻拾振。芯片利用微機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行制作，采用了多孔硅犧牲層技術(shù)實(shí)現(xiàn)梁膜一體結(jié)構(gòu)。采用了隔離墊片和應(yīng)力隔離支柱來減小封裝應(yīng)力，完成了傳感器的真空封裝。

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通過開環(huán)和閉環(huán)兩種方法對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試。傳感器的測(cè)試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)吻合較好。在10~(-2)pa真空中，傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q值約為19502；在10~(-2)Pa真空中，0～300KPa范圍內(nèi)，傳感器諧振頻率與所受壓力呈很好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.9997，靈敏度達(dá)到54.89Hz／KPa。說明該傳感器適合于0～300KPa范圍內(nèi)的壓力測(cè)量。