【摘 要】
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压力传感器是MEMS传感器的重要研究方向之一,电容式压力传感器具有尺寸小、结构简单、温度漂移小、灵敏度高等优点,在航空航天、工业工程、汽车电子、科学实验等领域发挥着重要作用。现阶段电容式压力传感器在普通量程压力范围已经实现了商业化发展,而针对微小量程（10KPa以下）压力传感器的研究较少。由于微小量程压力传感器的量程较小在运输存放过程中容易因过载问题发生损坏,而在工业工程和航空航天等领域中苛刻的使
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压力传感器是MEMS传感器的重要研究方向之一,电容式压力传感器具有尺寸小、结构简单、温度漂移小、灵敏度高等优点,在航空航天、工业工程、汽车电子、科学实验等领域发挥着重要作用。现阶段电容式压力传感器在普通量程压力范围已经实现了商业化发展,而针对微小量程（10KPa以下）压力传感器的研究较少。由于微小量程压力传感器的量程较小在运输存放过程中容易因过载问题发生损坏,而在工业工程和航空航天等领域中苛刻的使用环境更是对压力传感器的过载能力具有较高的要求,所以研究具有较好输出特性的同时具有较强过载能力的微小量程压力传感器具有实际意义。论文针对微小量程压力传感器的应用需求,对新型联动薄膜电容式压力敏感结构（CPSSLF）进行了深入研究,着重研究压力敏感结构的输出特性与过载能力。利用有限元仿真软件对敏感结构进行建模仿真,对方形膜敏感结构与圆形膜敏感结构进行了对比分析,仿真得出圆形膜结构具有更大的线性工作范围以及更强的过载能力。通过有限元仿真对敏感结构的下极板与介质层进行尺寸优化,使压力敏感结构具有较好的输出特性。论文对单晶硅薄膜样品断裂强度的实验测试结果进行了函数拟合,利用单晶硅断裂强度的尺寸效应来提高敏感结构的过载能力。通过非线性接触分析,得出合理的优化上极板尺寸与腔体高度可以显著提高敏感结构的过载能力。最后对下腔体高度进行优化,保证敏感结构量程范围内线性响应,依靠衬底的支撑作用进一步提高敏感结构的过载能力。仿真结果表明所设计量程为4KPa的联动薄膜压力敏感芯片,通过合理的尺寸优化可以使敏感结构具有较好的输出特性以及过载能力。最终仿真得出敏感结构的线性工作范围为1.6～4KPa,灵敏度为1.02pF/KPa,非线性度为0.998%,过载为13.5MPa。论文还对CPSSLF结构与传统接触式电容压力传感器（TMCPS）进行了对比研究,结果表明CPSSLF结构的线性工作范围约为TMCPS结构的1.8倍,因此CPSSLF结构在微小量程应用方面具有更广阔的前景。论文对基于SOI技术的联动薄膜压力敏感芯片进行了深入研究,通过优化敏感结构尺寸,改善了微小量程压力敏感芯片的输出特性,提高了敏感芯片的过载能力。此外还给出了联动薄膜压力敏感芯片的工艺流程,并对工艺过程中的关键技术进行了分析总结。最后对压力传感器的版图进行了设计,为微小量程压力传感器的生产制备提供了可行性方案。
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