GPa量级MEMS耐高温超高压力传感器

本项目提出一种具有耐高温、超高量程特点的GPa量级MEMS耐高温压力传感器，工作原理是被测介质压力作用在与压力接口一体的金属弹性元件上，其最大扰度通过传递杆施加到硅梁敏感元件上，基于单晶硅压阻效应，敏感元件在电源激励下输出与被测压力成正比的电信号，实现压力测量。该结构避免了敏感元件直接封装在弹性元件的表面上，减少了封装残余应力对传感器稳定性的影响。主要研究弹性元件和敏感元件的结构设计，使传感器量程高达1GPa，并研究金属材料的高温蠕变对传感器性能的影响；硅梁敏感元件的版图设计和耐高温制造工艺，优化压敏电阻条的结构尺寸及多层膜的厚度；传感器封装结构和封装工艺研究及残余应力分析；传感器性能测试及稳定性、可靠性研究。该传感器可在-40℃～250℃温度下实现1GPa的超高压力测量，精度优于0.5%FS，解决了航空航天、军工、石油化工、冶炼等领域在高温、瞬时超高温等条件下的超高压力测量难题。

为了解决航空航天、军工、石油化工、冶炼等领域存在的高温、瞬时超高温条件下的超高压力测量难题，本项目对耐高温超高量程压力传感器进行了研究，以实现高达1GPa的压力测量目的。为了使传感器能承受超高压力并有将压力转化为可测变量的能力，以理论和仿真分析为指导，分析了膜片式和圆筒式结构弹性元件的承载能力和传递能力，确定弹性元件采用圆筒式结构，由此研制出了一种量程为500MPa的超高压力传感器，通过性能试验，验证了圆筒式弹性元件用于超高压力测量的可行性，为GPa量级超高压力传感器的研究提供了技术基础。. 针对1GPa量程耐高温超高压力传感器的研究，首先开展了结构方案和工作原理的研究，提出了利用位移测量的复合式和利用体积测量的充油式两种结构模型，以保证传感器具有超高压力测量和高灵敏度输出的特点。其次，根据传感器工作原理，理论研究了圆筒式弹性承压元件用于制作超高压力传感器的可行性，还研究了以压力测量为目标的圆筒自增强处理技术，通过理论计算和仿真优化相结合的方法确定了圆筒型弹性承压元件的结构尺寸，并对其动态性能进行了研究。再次，针对两种结构模型的工作原理，研究了E型和平膜两种结构的敏感芯片，对其芯片结构、动态性能、力敏电阻设计、灵敏度优化、多层膜热分析、版图设计、制作工艺等进行了研究。此外，研究了复合式和充油式两种结构模型传感器的封装结构和制作方法，对封装工艺中的残余应力和整体结构的动态性能进行了研究，且研究了适合于复合式结构和充油式结构传感器的封装工艺，制作出了这两种结构的传感器样品，另外，还对传感器的补偿技术进行了探索。最后，对制作出的敏感芯片和传感器样品进行了性能实验研究，实验内容包括：敏感芯片时漂与温漂实验、传感器的静态性能实验，实验结果表明研制的敏感芯片适用于高温环境，性能优良；所研制的传感器综合性能基本达到了研究目标，传感器的非线性误差小于0.5%FS，可以实现航空航天、军工、石油化工、冶炼等领域中超高压力的测量。本项目成果对超高压力传感器的研究提供了几种切实可行的方案。. 项目研究过程中，已取得陕西省科学技术一等奖1项，已发表论文15篇（SCI/EI检索11篇），授权发明专利3项、申请4项，参加国际国内学术会议五次，培养研究生3人。