热激励谐振式碳化硅微结构高温压力传感器研究

摘要

本文基于碳化硅材料提出了一种新型的谐振式热激励压阻拾取的微结构压力传感器，该传感器与传统压力传感器相比，具有耐高温(>500℃)、高精度、高可靠性等优点。 本文研究了碳化硅的晶体结构和分类，对碳化硅的电特性、机械特性、热特性进行了研究，选用6H-SiC作为制造谐振式敏感结构的晶体类型。 本文主要根据提出的传感器结构，基于弹性力学的相关理论，采用小挠度理论导出了传感器感应膜和谐振梁的数学解析模型。然后运用Matlab和IIANSYS软件结合数学解析模型，分析了膜片的应变及应力分布，以及梁谐振子的频率特性，有限元分析该特性曲线的线性度大于0.994。对于传感器的热特性，分析了外界环境温度发生骤变时微传感器的特性变化，用热力学解析和有限元分析的方法求解了初始热应力的大小，得出传感器的温度系数为0.02/℃。 本文的另外的重点是在对传感器结构进行单参数分析的基础上，应用优化理论对传感器结构进行了多参数优化，提出了一种新的结构，建立了优化函数，考虑实际加工工艺、封装以及敏感结构体积等因素，给出最优方案。最后讨论了传感器结构参数选择时应遵循的原则。

目录

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声明

第一章绪论

1.1压力传感器概述

1.2高温压力传感器的发展现状

1.3论文研究重点、难点和安排

第二章碳化硅宽带隙半导体材料

2.1极端电子学材料碳化硅

2.2SiC的晶体的结构

2.3小结

第三章谐振式碳化硅微压力传感器敏感结构的数学模型

3.1基于矩形感应膜片敏感结构的工作机理

3.2基于矩形感应膜片敏感结构的解析模型

3.2.1矩形膜片的解析模型

3.2.2谐振梁的压力——频率特性

3.2.3矩形膜片的压力——频率特性

3.3基于矩形感应膜片敏感结构的有限元模型

3.3小结

第四章谐振式碳化硅微压力传感器的工作特性分析

4.1谐振式碳化硅压力传感器的材料及典型结构参数

4.2谐振式碳化硅压力传感器敏感结构的解析分析

4.2.1矩形膜片的力学特性解析分析

4.2.2谐振梁的压力——频率特性的解析分析

4.2.3矩形膜片的压力——频率特性的解析分析

4.3谐振式碳化硅压力传感器敏感结构的有限元分析

4.3.1矩形膜片及谐振梁的的静力有限元分析

4.3.2矩形膜片和梁一体的静力分析有限元分析

4.3.3谐振梁的压力——频率特性的有限元分析

4.3.4矩形膜片的压力——频率特性的有限元分析

4.5小结

第五章谐振式碳化硅压力传感器热特性分析

5.1环境温度变化时敏感结构的热力学解析模型

5.2环境温度变化时敏感结构的热力学有限元分析

5.3小结

第六章谐振式碳化硅微压力传感器的优化设计

6.1谐振式碳化硅微结构压力传感器敏感结构的单参数优化分析

6.1.1“凹”字型矩形膜矩形膜片长度和宽度对灵敏度的影响

6.1.2双岛型矩形膜结构的建立

6.1.3双岛型矩形膜结构的单参数优化分析

6.2谐振式硅微结构压力传感器敏感结构的多参数优化分析

第七章结束语

致谢

参考文献

研究成果

附录