高灵敏度压阻式碳化硅压力传感器设计与仿真

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1、论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加Ｗ标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研巧的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。《之：曰期＇库作者签名：７〇砰局论文使巧授权声明本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，目Ｐ：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阔和借陶；学校可从公布论文的全部或部＞。分內容，可＾１采用影印、缩印或其它手段保存论文保密的论文在解密后遵守此规定。八／／

2、作者签名：导师签名；日期：心￡小意參；｝＾＾夺一上海师范大学硕士学位论文摘要论文题目：高灵敏度压阻式碳化硅压力传感器设计与仿真学科专业：凝聚态物理学位申请人：廖黎明导师：陈之战摘要压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。目前扩散硅（Si）压力传感器受制于Si材料自身的限制，需要冷却系统才能工作于高温环境。碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿场强和优良的机械性能，在高温、高频、大功率和恶劣环境有重要的应用，SiC压力传感器不需冷却系统有望在高温恶劣环境下使用。但是由于SiC材料的压阻系数小，传感器存

3、在满量程输出小、灵敏度低等问题。本文基于SiC材料，理论分析和有限元仿真相结合，设计了高灵敏度SiC压力传感器，仿真了传感器的工作特性，研究了影响输出信号的因素。从弹性膜片的小扰度理论出发，基于线性度原则、灵敏度原则和安全性原则，根据信号输出特性，研究了压力传感器满量程与敏感膜片尺寸的关系；通过有限元仿真分析，研究了敏感膜片扰度和应力的分布规律。设计满量程为1.5MPa时，敏感膜片的最优尺寸为半径800μm、膜厚40μm。基于压阻效应的原理，研究了压阻条排布对输出信号的影响规律，施加压力后，圆膜式传感器边缘处的压阻条阻值减小，中心处压阻条的阻值增

4、大；优化后芯片在1.5MPa压力下输出信号为88.57mV，灵敏度为11.81μV/V/kPa，高于文献报道的同类型压力传感器指标。基于压阻仿真分析，研究了压阻条尺寸及位置、敏感膜片尺寸和环境温度等因素对传感器输出信号的影响规律。输出信号与压阻条的厚度关系不大，但强烈受压阻条位置的影响，当边缘处压阻条位置距中心800μm时具有最高的输出特性；输出信号受敏感膜片尺寸影响非常大，灵敏度与膜片半径和膜厚的比值（a/t）的平方成正比；输出信号受温度影响较大，温度越高，输出信号越小，因此SiC压力传感器在高温下工作性能下降。基于AlN和SiC有相似的物理性

5、能，仿真分析了AlN封装后传感器的热应力分布。结果表明，500C下AlN和SiC材料之间的热应力远小于芯片受压后产生的机械应力，热应力对信号的输出影响非常小，且不会导致芯片和封装材料之间的破裂。对传感器进行了模态、谐响应、瞬态响应的结构动力学分析，芯片I摘要上海师范大学硕士学位论文模型具有很高的固有频率（0.346MHz）和很短的响应时间（1.75ms）。关键词：SiC、高温、压力传感器、仿真论文类型：应用基础IIShanghaiNormalUniversityMasterofPhilosophyAbstractThesistheme:Desi

6、gnandsimulationofSiCpiezoresistivetypepressuretransducerwithhighsensitivityMajor:CondensedMatterPhysicsApplicant:LimingLiaoAdvisor:ZhizhanChenAbstractTheworkingprincipleofthepiezoresistivetypepressuretransducerisbasedonthepiezoresistiveeffect.Atpresent,thediffusionsiliconpres

7、suretransducercanonlybeworkedinhightemperatureenvironmentthroughthecoolingsystemduetothesiliconsemiconductorproperties.Siliconcarbide(SiC),atypicalrepresentativeofthethirdgenerationwidebandgapsemiconductormaterial,canbewidelyappliedinhigh-temperature,high-frequency,highpowera

8、ndharshenvironmentduetoitswidebandgap,highthermalconductivity,highbr