探索膜技术基于厚膜工艺不锈钢压力传感器设计与制造技术

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摘要：压力传感器在各个行业各个领域都存在广泛的运用,是传感器大家族中需求量最大的品种。然而目前市场上的各种压力传感器都有着着这样或那样的缺点,无法满足不同运用领域的实际需求。针对当前主流压力传感器技术有着的问题,结合国内外行业进展情况,本论文提出了两种非传统的基于厚膜工艺的不锈钢压力传感器,并对其进行探讨。第一种是在430不锈钢弹性体上烧结厚膜电阻应变片制作不锈铁压力传感器。测试所需材料参数,借助于有限元法设计厚膜不锈钢压力传感器的结构和制造工艺,评估其的综合性能和可靠性。第二种是采取外延沉积技术制作半导体应变片,并将其通过厚膜工艺烧结在17-4PH不锈钢弹性体上制成不锈钢压力传感器,评估其主要性能指标；探讨粘接剂材料特性和微观结构对传感器输出特性的影响。主要探讨内容包括：(1)采取纳米压痕连续刚度法测试430不锈钢基片上介质层的力学性能,结果显示,其平均杨氏模量为126.56GPa,平均硬度为8.364GPa。测试厚膜电阻的性能参数,评估其作为力传感器应变片的可行性。厚膜电阻的应变系数约为10.2,电流噪声约为-20dB,在-40-125℃的温度系数小于230ppm/K,在125～220℃的温度系数小于250ppm/K。(2)自由落体试验和热冲击试验验证介质层和430不锈钢基片粘接的可靠性；微观结构分析表明不锈钢、介质层和厚膜电阻层在材料成分上是兼容的,证实了制作厚膜不锈钢压力传感器的可行性。(3)采取有限元模拟,确定介质层的厚度与在额定载荷下厚膜电阻在介质层-不锈钢弹性体上的印烧位置。模拟计算厚膜电阻的自热效应、介质层与不锈钢的热胀系数失配产生的热应力对厚膜不锈钢压力传感器输出特性和可靠性的影响,并提出相应的改善办法。(4)设计厚膜应变片式不锈钢压力传感器工艺流程,制作样品,评估其性能指标。该传感器在-40-125℃的温漂小于2.5%,与精度相关的参数误差(线性度、迟滞和重复性误差)都在0.15%从内；在125～220℃范围内,该传感器的温漂不高于2.85%,与精度相关的参数误差都在0.3%从内。(5)采取外延沉积技术制造半导体应变片从提升其阻值一致性。借助于厚膜技术,用微熔玻璃作为粘接材料将半导体应变片烧结到17-4PH不锈钢弹性体上制作不锈钢压力传感器。该传感器在125℃的迟滞和重复性误差分别低于0.05%和0.12%,几乎完全等同于其在常温下的性能,表明微熔玻璃粘片工艺提升了传感器的高温性能。进一步的实验显示粘接剂微观结构缺陷会使应变片式压力传感器的迟滞和重复性误差恶化。关键词：压力传感器论文厚膜技术论文不锈钢弹性体论文封装论文微熔玻璃论文
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Abstract6-10
1 绪论10-26

1.1 引言10-14

1.2 厚膜技术概况14-16

1.3 厚膜压力传感器探讨概况16-20

1.4 厚膜技术在传感器封装中的运用20-22

1.5 课题来源和探讨内容22-26

2 厚膜不锈钢压力传感器材料测试与可行性评估26-55

2.1 厚膜技术概述26-30

2.2 介质层纳米压痕测试30-39

2.3 厚膜电阻基本特性测试39-46

2.4 厚膜不锈钢压力传感器可行性分析46-53

2.5 本章小结53-55

3 厚膜不锈钢压力传感器设计与制造55-87

3.1 薄板小挠度弯曲论述55-59

3.2 厚膜不锈钢压力传感器结构设计59-71

3.3 厚膜不锈钢压力传感器材料工艺参数选择71-79

3.4 厚膜不锈钢压力传感器制造工艺79-86

3.5 本章小结86-87

4 厚膜不锈钢压力传感器性能与可靠性评估87-109

4.1 厚膜不锈钢压力传感器输出特性87-93

4.2 热应力对厚膜不锈钢压力传感器可靠性影响93-100

4.3 厚膜电阻自热效应对传感器可靠性影响100-104

4.4 厚膜不锈钢压力传感器热冲击实验及分析104-107

4.5 本章小结107-109

5 厚膜技术封装的半导体压力传感器制造与性能评估109-132

5.1 半导体硅压阻效应原理109-112

5.2 传统半导体应变片制作工艺112-114

5.3 半导体应变片的外延工艺制造论文导读：攻读博士学位期间申请和授权专利148上一页12
114-119

5.4 半导体压力传感器的厚膜工艺封装119-123

5.5 厚膜技术封装的半导体压力传感器性能评估123-126

5.6 粘片材料微观结构分析126-130

5.7 本章小结130-132

6 总结与展望132-135

6.1 全文总结132-133

6.2 今后工作展望133-135

致谢135-136
参考文献136-146
攻读博士学位期间发表学术论文146-148
攻读博士学位期间申请和授权专利148