MEMS電容式溫度傳感器的研究.pdf

1、溫度傳感器是一種重要的和應(yīng)用廣泛的傳感器。傳統(tǒng)溫度傳感器如鉑電阻、熱電偶、熱敏電阻等溫度傳感器技術(shù)已經(jīng)成熟，如典型的A型鉑電阻，滿量程精度為±0．5℃。CMOS集成溫度傳感器的測(cè)量范圍通常在-50℃到125℃，而探空儀與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)微型化、寬溫度測(cè)量范圍、低功耗的溫度傳感器有較大的需求。本文提出一種低功耗、具有較寬測(cè)量范圍的MEMS電容式溫度傳感器，主要工作包括：
　　 (1)提出了一種基于硅MEMS技術(shù)的電容式溫度傳感器結(jié)構(gòu)

2、。該溫度傳感器以多層懸臂梁式固態(tài)電容作為溫度敏感和電容檢測(cè)結(jié)構(gòu)。這種溫度傳感器的工作原理是基于不同材料熱膨脹系數(shù)的失配和彈性電介質(zhì)的電致伸縮增強(qiáng)效應(yīng)。溫度變化時(shí)在材料間熱膨脹失配效應(yīng)的作用下，使敏感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲變形，也產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)力。同時(shí)在電致伸縮增強(qiáng)效應(yīng)的作用下，電容式溫度傳感器電極之間電介質(zhì)的介電常數(shù)隨應(yīng)力的改變而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過檢測(cè)電容的變化即可測(cè)得溫度的變化。
　　 (2)根據(jù)Timoshenko的雙層懸臂梁理論，

3、建立了傳感器敏感元件的溫度-機(jī)械靜態(tài)耦合分析模型，并采用ANSYS有限元軟件驗(yàn)證了模型的有效性。論文根據(jù)CMOS工藝中的材料，選用了熱膨脹系數(shù)差值較大的金屬Al和硅作為傳感器結(jié)構(gòu)的主體材料。之后，運(yùn)用建立的推廣模型對(duì)溫度傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)電致伸縮增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)傳感器靜態(tài)特性進(jìn)行了模擬。
　　 (3)論文采用熱-電類比的方法，研究了封裝后溫度傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)。首先將傳感器進(jìn)行單元?jiǎng)澐植⒔⑾鄳?yīng)的熱拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，之后由熱-電類比關(guān)系建

4、立了對(duì)應(yīng)的電學(xué)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。根據(jù)熱瞬態(tài)現(xiàn)象的物理意義建立了完整的瞬態(tài)分析等效電路，用SPICE對(duì)所建立的等效電路進(jìn)行求解，得到時(shí)間常數(shù)。論文將這種模型用于溫度傳感器的階躍熱響應(yīng)分析與模擬。
　　 (4)采用CMOS兼容工藝研制出電容式硅MEMS溫度傳感器，進(jìn)行了靜態(tài)參數(shù)測(cè)試和瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電容式溫度傳感器具有較寬的測(cè)量范圍(實(shí)測(cè)-70～100℃)、可達(dá)7fF/℃的靈敏度以及較好的線性輸出特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈性電介質(zhì)