超低温压力传感器的结构设计
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摘要
超低温压力传感器是指在4K～110K范围内的低温环境下能正常工作的压力传感器。在众多类型的压力传感器中，超低温压力传感器因其特殊应用环境而日渐受到人们的重视，尤其是在液氢液氧作为燃料使用越来越多的情况下。超低温压力传感器在航天、工业运输等领域得到应用。
论文介绍了国内外各种超低温压力传感器的研究现状。系统论述超低温压力传感器的工作原理并进行结构设计。本文还创新性的采用多晶硅纳米薄膜作为敏感电阻并应用于超低温环境下，开拓了多晶硅薄膜的又一应用方向。设计的传感器制作工艺简单，与集成电路工艺兼容，制作成本低。
论文利用有限元分析法，借助了ANSYS软件，建模分析了传感器的弹性承压膜的应力场分布情况，确定了多晶硅压敏电阻的位置及其排列方式。然后在理论分析的基础上，介绍了每个传感器参数的设计过程，对这一传感器的弹性膜尺寸、压敏电阻和版图进行了设计。
在研究加工工艺的基础上，根据设计的结构绘制了传感器加工用的版图，并设计了传感器的加工工艺，在文中给出了加工的详细工艺步骤。除此之外，本文也对传感器的封装结构进行设计并对封装工艺进行了初步研究。
Ultra-low temperature pressure sensor is a pressure sensor which works in lowtemperature environment within the range of4K~110K. In many types of pressure sensors，because of their special application environment, people are growing to pay more attention inthe ultra-low temperature pressure sensors, especially in the case of more and more liquidhydrogen and liquid oxygen used as fuel. The ultra-low temperature pressure sensors are usedin the fields of aerospace, industrial and transportation.
This paper introduces the research status of ultra-low temperature pressure sensor at homeand abroad. We discuss the working principle and design the structure of the ultra-lowtemperature pressure sensors. The article also innovative use polysilicon nanofilm as sensitiveresistor and used it in the ultra-low temperature environment, opened up another applicationdirection of the polysilicon film. The production process of the sensor designed in our paper issimple and compatible with IC technology, and need low production costs.
In this paper, using the finite element analysis ANSYS software, modeling and analysisingof stress field distribution of the elastic pressure membrane, determine the location andarrangement of the polycrystalline silicon pressure-sensitive resistor. On the basis oftheoretical analysis, introduce the design process of each sensor parameters, including elasticmembrane dimensions, varistor and layout design.
On the basis of the research process, we draw the layout of the sensor processingaccording to the design of the structure, and design the process of the sensor and present thedetailed process steps of the processing. In addition, the package structure design of the sensorand packaging technology conduct a preliminary study.
论文介绍了国内外各种超低温压力传感器的研究现状。系统论述超低温压力传感器的工作原理并进行结构设计。本文还创新性的采用多晶硅纳米薄膜作为敏感电阻并应用于超低温环境下，开拓了多晶硅薄膜的又一应用方向。设计的传感器制作工艺简单，与集成电路工艺兼容，制作成本低。
论文利用有限元分析法，借助了ANSYS软件，建模分析了传感器的弹性承压膜的应力场分布情况，确定了多晶硅压敏电阻的位置及其排列方式。然后在理论分析的基础上，介绍了每个传感器参数的设计过程，对这一传感器的弹性膜尺寸、压敏电阻和版图进行了设计。
在研究加工工艺的基础上，根据设计的结构绘制了传感器加工用的版图，并设计了传感器的加工工艺，在文中给出了加工的详细工艺步骤。除此之外，本文也对传感器的封装结构进行设计并对封装工艺进行了初步研究。
Ultra-low temperature pressure sensor is a pressure sensor which works in lowtemperature environment within the range of4K~110K. In many types of pressure sensors，because of their special application environment, people are growing to pay more attention inthe ultra-low temperature pressure sensors, especially in the case of more and more liquidhydrogen and liquid oxygen used as fuel. The ultra-low temperature pressure sensors are usedin the fields of aerospace, industrial and transportation.
This paper introduces the research status of ultra-low temperature pressure sensor at homeand abroad. We discuss the working principle and design the structure of the ultra-lowtemperature pressure sensors. The article also innovative use polysilicon nanofilm as sensitiveresistor and used it in the ultra-low temperature environment, opened up another applicationdirection of the polysilicon film. The production process of the sensor designed in our paper issimple and compatible with IC technology, and need low production costs.
In this paper, using the finite element analysis ANSYS software, modeling and analysisingof stress field distribution of the elastic pressure membrane, determine the location andarrangement of the polycrystalline silicon pressure-sensitive resistor. On the basis oftheoretical analysis, introduce the design process of each sensor parameters, including elasticmembrane dimensions, varistor and layout design.
On the basis of the research process, we draw the layout of the sensor processingaccording to the design of the structure, and design the process of the sensor and present thedetailed process steps of the processing. In addition, the package structure design of the sensorand packaging technology conduct a preliminary study.
引文
[1]李小换，邹其利，张世名.超低温薄膜压力传感器的研究.仪表技术与传感器.2009，增刊:171-174.
[2]张庆伟.面向21世纪的中国航天运载技术.中国航天.2001，1:5-8.
[3]龙乐豪.中国航天运输系统的现状与展望.中国航天.2004，8:9-16.
[4]李东，程堂明.中国新一代运载火箭发展展望.中国航天.2006，11:7-10.
[5]果琳丽，谷良贤，蒋先旺等.未来30年航天运载技术的发展预测.航空制造技术.2009,18:26-31.
[6]余梦伦，杨勇.我国航天运载器的未来发展.现代军事.2006,9:30-31.
[7]马志滨，郝希凡，于国斌等.构筑中国通天路—前进中的中国运载火箭.国防科技工业.2003,4:18-20.
[8]梁国柱，张卫华，郭红杰等.固体火箭发动机集成方案设计系统SRMCAD.固体火箭技术.2003，26.3:18-20.
[9]史俊茹.基于脉管制冷机的液氢无损贮存系统研究.硕士学位论文.浙江:浙江大学机械与能源工程学院，2007.
[10]毛宗强.氢能—21世纪的绿色能源.北京:化学工业出版社,2005.
[11]张睿.La-Mg基合金贮氢特性与电化学性能研究.硕士学位论文.广西:广西大学,2006.
[12]郑祥林.液氢的生产及应用.今日科苑.2008,6:59-59.
[13]庄严.传感器的质量评价方法及选择.仪器仪表标准化与计量.2002,5:36-38.
[14]叶湘滨，熊飞丽等.传感器与测试技术.北京:国防工业出版社,2007:139-147.
[15]尹福炎，王成林.如何制作低温环境条件下使用的电阻应变式传感器.2002,9:21-28.
[16]种传波.基于MEMS技术的压力传感器研究.硕士学位论文.北京:北京工业大学,2008.
[17]耿青涛.高温压力传感器的研制与计算机模拟.硕士学位论文.河北:河北工业大学.2007.
[18]徐壮涛.智能材料传感器应用技术初探.硕士学位论文.上海：同济大学.2005.
[19]S．M．Sze．Semiconductor Sensorl994Chapter IVppl53-199．
[20]张鑫，郭清南，李学磊.压力传感器研究现状及发展趋势.电机电器技术.2004,4:28-29.
[21]Dirk De Bruyker etal，A combined piezoresitive pressure sensor and function based onthermal actuation sensor A，1998．
[22]Yuelin Wang etal， The structures for electrostatic servro capacitive vacuumsensor,sensors and actuators A1998．
[23]秦公平.高温超导永磁悬浮系统的性能研究.硕士学位论文.成都：西南交通大学.2009.
[24]祝德春.线弹性系统动态载荷位置识别及其实验技术研究.硕士学位论文.南京：南京航空航天大学.2010.
[25]http://www.elsensors.com/html/pcb/1x_08.html.
[26]http://www.elsensors.com/product.asp?pro=kulite.
[27]刘新月.压力传感器温度漂移补偿的电路设计.硕士学位论文.河北：河北工业大学.2006.
[28]金跃川.汽车空气质量流量传感器的研究.硕士学位论文.武汉：武汉理工大学.2011.
[29]何迎辉，张修如，张舸.超低温薄膜压力传感器的研制.传感器世界.2004,9:21-23.
[30]姬生浩.扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现.硕士学位论文.西安：西北工业大学.2007.
[31]倪智琪.SOI单晶硅压力传感器模拟计算与优化设计.硕士学位论文.天津：天津大学.2003.
[32]李蕾.电阻式变送器非线性误差的补偿.硕士学位论文.西安：西安理工大学.2008.
[33]刘迅.MCA7707研究及开发装置设计.硕士学位论文.南京：南京航空航天大学.2000.
[34]夏文明.硅微微压传感器设计研究.硕士学位论文.江苏:江苏大学.2007.
[35]汤恒，唐世洪.压阻式力敏硅传感器的结构剖析.电子质量.2001,7:23-28.
[36]沈思国.纳米硅超微压力传感器设计研究.硕士学位论文.江苏:江苏大学.2011.
[37]王云彩.高温压力传感器的研制.硕士学位论文.河北:河北工业大学.2007.
[38]徐淑霞.多晶硅高温压力传感器设计.硕士学位论文.沈阳：沈阳工业大学.2003.
[39]赵大博.MEMS压阻式微接触测头测试校准系统的研究.硕士学位论文.天津:天津大学.2007.
[40]张文.压阻式压力传感器的温度误差补偿技术及虚拟仪器的组建.硕士学位论文.合肥:合肥工业大学.2004.
[41]闫超.高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发.硕士学位论文.江苏:江苏大学.2011.
[42]李柏利.基于0.18umCMOS集成压力传感器设计.硕士学位论文.黑龙江：黑龙江大学.2011.
[43]揣荣岩.多晶硅纳米薄膜压阻机理与特性的研究.硕士学位论文.哈尔滨:哈尔滨工业大学.2007.
[44]刘晓为,李金锋,揣荣岩.多晶硅纳米薄膜电学特性的实验研究.传感器与微系统.2008,27.8:45-47.
[45]范慧娟.磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究.硕士学位论文.江苏:江苏大学.2011.
[2]张庆伟.面向21世纪的中国航天运载技术.中国航天.2001，1:5-8.
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