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本发明公开了一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括外围压力测量单元和中心温度测量单元；压力测量单元由带凸起岛的碳化硅基底，背面刻蚀有圆形背腔形成压力敏感膜片，凸起岛和压力敏感膜片构成了膜岛结构，在凸起岛之外，压力敏感膜片之内，沿着压力敏感膜片根部圆周对称布置四个压阻条；温度测量单元包括基底凸起岛以及布置在其上的薄膜热电偶；当压力作用在芯片上时，压力测量单元通过半导体压阻效应及惠斯通电桥将压力转变成电信号输出，同时温度测量单元通过金属薄膜热电偶塞贝克效应将温度转换成热电势输出，以此完成高温下压力和温度的实时检测，具有耐高温、微型化、灵敏度高、稳定性好等优点。

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目的研究非晶碳膜的压阻性能和机理,并将其作为压敏电阻应用于MEMS压力传感器敏感电路中。方法使用直流溅射工艺制备非晶碳膜压敏薄膜材料,对典型样品进行内部组分和电学、力学、温度等性能测试和研究,使用有限元方法进行器件设计仿真,借助MEMS加工工艺完成非晶碳膜压力传感器芯片的加工,最后进行器件级别的测试和分析。结果在0~1 MPa范围内,压力传感器芯片的灵敏度为9.4μV/kPa,输出信号的非线性度为5.57%FS;对压敏电阻进行–70~150℃范围内的温度性能研究,其阻值与温度之间表现出较强的线性关系,且在–20~150℃段,线性度更强,表明非晶碳膜压敏材料在高温段应用时更容易补偿。机理研究方面,非晶碳膜在厚度方向上表现出组分差异化,因此该方向也应被纳入机理模型建立中。结论非晶碳膜在加工工艺、力学性能以及电学性能上与传统的MEMS传感器芯片能够很好地结合,加工得到的非晶碳膜压阻式压力传感器灵敏度和线性度较为理想。此外,其压阻机理研究应纳入薄膜厚度方向。

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MEMS 非晶碳膜 厚膜理论 压力传感器 压阻机理 压阻效应

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石墨烯受力后变形可以产生压阻效应,利用这个原理,制作石墨烯微压传感器。但是在实验中,发现石墨烯会产生诸多缺陷,进而影响石墨烯的压阻效应。因此,该文采用拉曼确认转移后SiO2基底上双层石墨烯的褶皱形成和缺陷形成很少。同时,采用XPS确定石墨烯在制作传感器过程中表面的有N、O等污染原子吸附。AFM表面图像发现转移后的表面很平整。并采用MEMS工艺完成石墨烯微压传感器的制作,利用3D打印的腔体完成传感器的封装,通过气体微亚泵对传感器施加压力,得到压力测量量程在0~3 kPa,电阻温度系数极低。该研究可为石墨烯作为压阻传感器提供更细致的理论基础和技术指导。

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AFM MEMS RAMAN XPS 缺陷 石墨烯微压传感器 石墨烯压阻

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无引线封装技术能够将采用SOI技术的MEMS压力传感器的工作温度提高到300℃以上,解决传统充油封装无法耐受高温的问题,然而,无引线封装亦对SOI压力敏感芯片结构提出新的挑战。为应对此问题,该文提出适用于无引线封装的压力敏感芯片总体结构,主要研究压敏电阻掺杂浓度选择、重掺杂引线盘和金属点电极、键合玻璃结构、硅玻键合静电密封环等内容。通过大面积重掺杂的引线盘及金属点电极的设计解决硅-玻璃在电路器件层的静电键合问题。在键合玻璃上设计通孔,其位置对应金属点电极,解决电极厚度对键合的影响问题,同时实现欧姆接触。设计静电密封环结构,解决压力敏感膜片及测量电路的密封问题。最后,研制适用于无引线封装的SOI压力敏感芯片样片,证明该文压力敏感芯片总体结构有效。

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MEMS SOI 耐高温 无引线封装 压力传感器 压阻效应

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无引线封装技术能够将采用SOI技术的MEMS压力传感器的工作温度提高到300℃以上,解决传统充油封装无法耐受高温的问题,然而,无引线封装亦对SOI压力敏感芯片结构提出新的挑战。为应对此问题,该文提出适用于无引线封装的压力敏感芯片总体结构,主要研究压敏电阻掺杂浓度选择、重掺杂引线盘和金属点电极、键合玻璃结构、硅玻键合静电密封环等内容。通过大面积重掺杂的引线盘及金属点电极的设计解决硅-玻璃在电路器件层的静电键合问题。在键合玻璃上设计通孔,其位置对应金属点电极,解决电极厚度对键合的影响问题,同时实现欧姆接触。设计静电密封环结构,解决压力敏感膜片及测量电路的密封问题。最后,研制适用于无引线封装的SOI...

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MEMS SOI 耐高温 无引线封装 压力传感器 压阻效应

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石墨烯受力后变形可以产生压阻效应,利用这个原理,制作石墨烯微压传感器。但是在实验中,发现石墨烯会产生诸多缺陷,进而影响石墨烯的压阻效应。因此,该文采用拉曼确认转移后Si_O2基底上双层石墨烯的褶皱形成和缺陷形成很少。同时,采用XPS确定石墨烯在制作传感器过程中表面的有N、O等污染原子吸附。AFM表面图像发现转移后的表面很平整。并采用MEMS工艺完成石墨烯微压传感器的制作,利用3D打印的腔体完成传感器的封装,通过气体微亚泵对传感器施加压力,得到压力测量量程在0～3 kPa,电阻温度系数极低。该研究可为石墨烯作为压阻传感器提供更细致的理论基础和技术指导。

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AFM MEMS Raman XPS 缺陷 石墨烯微压传感器 石墨烯压阻

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基于硅压阻效应和惠斯通电桥工作原理,设计了一种梁膜一体E型结构可动膜片并进行了试验验证。通过理论计算确定了可动膜片主要结构尺寸,确保传感器的线性输出及抗过载能力。为了增大传感器灵敏度,从压敏电阻条的注入位置、几何形状、器件噪声分析和计算等方面考虑,确定了电阻条的最优尺寸。通过标准MEMS工艺,对设计的微压芯片进行加工和测试。结果表明,微压传感器灵敏度为4. 65 m V/V/kPa,非线性误差为0. 18%FS,满足了微小压力测试需求。

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非线性误差 可动膜片设计 灵敏度 微压传感器 压敏电阻设计

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激光显示技术具有高分辨率、高亮度、色彩丰富的特点，可最真实地呈现客观世界的缤纷色彩。但是因为激光具有强相干性，从而会在屏幕上形成激光散斑。现有的散斑抑制方法主要从两方面出发，一是降低激光光源相干性，二是多幅独立散斑叠加消除散斑。本文主要利用MEMS微镜进行散斑抑制，该微镜需要满足两点需求：一是镜面尺寸大，可以使镜面在大功率激光照射下正常工作；二是具有高频大角度扫描特性，使积分时间内具有更多独立的散斑相叠加，从而降低散斑对比度。 为了实现对激光扫描位置和扫描方向的精确控制，本文根据单晶硅的剪切压阻效应，以P型[100]硅晶圆为基底，选择合适的微镜扭转轴及压阻图案的排布方式，在微镜扭转轴上集成N型压阻角度传感器。首先通过伏安特性测试判断器件的欧姆接触性能，之后使用圆点传输线模型计算比接触电阻，结合SEM表面形貌分析以及SIMS组分深度分析探究欧姆接触原因，最终确定合适的金属及退火条件，使金属与N型硅形成良好的欧姆接触。 通过仿真分析及实测，选择永磁体-电感线圈的电磁驱动方式为微镜的偏转提供驱动力，结合微镜的运动模式以及有限元分析，设计并制备满足消散斑要求的MEMS微镜，搭建激光散斑抑制系统，并通过MEMS微镜快速扫描作用，将散斑对比度降低到4.6%。 通过实验和研究，获得的主要结论如下：本文设计的集成N型压阻角度传感器的MEMS微镜有效降低了散斑对比度，集成在12 mm微镜上的N型压阻角度传感器灵敏度具有205 mV/°。

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MEMS微镜 N型压阻角度传感器 欧姆接触 散斑抑制

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本发明公开了一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括谐振层和承压膜片，谐振层包括谐振梁和平衡梁，四根谐振梁组成一组H型梁，H型梁共有两组且对称设置，谐振梁端部均固定在平衡梁上，两根平衡梁通过谐振梁的延伸部分与刚性质量块连接，相邻的谐振梁之间设置有质量块，质量块中部设置有耦合梁，耦合梁中部设置有拾振电阻，位于外侧的两个质量块分别与两个可动电极固定连接。当压力施加在承压膜片加载时，谐振梁受压产生形变，导致谐振梁的固有频率发生改变，同时通过固定电极激励谐振梁振动，谐振状态时，耦合梁上拾振电阻分别循环处于受压/受拉状态，基于压阻效应使得拾振电阻值发生变化，从而拾取谐振梁固有频率。

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切削状态监测是高档数控机床实现智能加工的必备功能，而切削力测量是进行切削状态监测最直接、有效的方法。针对目前商业化的切削力传感器存在的体积大、价格贵、兼容性差等问题，以满足实际工业应用需求为前提，提出了一种基于刀具本身的切削力测量方法。设计了一种基于锰铜薄膜的小型化切削力传感器，用传感器代替刀垫集成到刀具中进行切削力的测量。本文对切削力传感器的工作原理、结构设计、制作工艺和封装技术进行了深入研究，并对所研制的切削力传感器进行了静态和动态性能测试，具体包括： 提出了一种基于薄膜敏感电阻的切削力传感器设计方案。首先，分析了切削力的产生机理和现有测量原理的优缺点，确定了切削力传感器的工作原理；分析了切削力传感器的性能影响因素，确定了切削力传感器的设计原则。然后，选择了切削力传感器的制备材料，进行了传感器的力-热耦合仿真分析；进行了切削力传感器的结构尺寸设计，包括：传感器基底的结构尺寸设计，薄膜敏感电阻在基底上的位置、排布方向以及结构尺寸的设计；最后，设计了用于嵌入切削力传感器的刀具的总体结构并确定了相关尺寸，对所设计的刀具结构进行了安全校核，确认该刀具结构在切削力传感器满量程范围内安全可靠。 研究了切削力传感器的加工、封装和测试技术。首先，研究了传感器的关键加工工艺，完成了传感器基底和敏感电阻的制备与检测；然后，研究了抗高温切屑冲击、耐腐蚀的封装技术，采用激光焊接法完成了切削力传感器的封装，获得了切削力传感器的原理样机。最后，制定了切削力传感器的综合性能测试方案，并搭建了传感器静态和动态性能测试平台，分别对传感器的静态和动态性能进行了测试分析。测试结果验证了基于锰铜薄膜的小型化切削力传感器设计方案的可行性，为后续研究提供了可借鉴的经验。

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加工封装 锰铜薄膜 切削力传感器 性能测试 压阻效应

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