4H-SiC无线无源高温压力传感器设计与性能仿真

"4H-SiC无线无源高温压力传感器设计" 本文主要介绍了一种新型的4H-SiC无线无源电容式高温压力传感器的设计方案，该设计旨在解决在极端高温环境下的压力测量问题。4H-SiC作为一种理想的材料，因其出色的高温稳定性和半导体特性，被广泛应用于高温传感器的制造。传感器采用薄膜技术和陶瓷厚膜技术相结合，以实现高效且耐用的传感器结构。 在传感器设计中，关键工艺之一是对4H-SiC材料的深刻蚀，以形成敏感膜。经过仿真分析，使用Ansys有限元分析软件，在600℃的高温条件下，传感器的灵敏度达到了2.65 MHz/bar，这表明在高温环境下，该传感器仍能保持高灵敏度。此外，通过刻蚀工艺，实现了124微米的刻蚀深度，满足了传感器制造的要求。 传感器的工作原理基于电容式压力传感器的机制。当外部压力作用于传感器时，膜片会发生形变，导致电容的变化。电容值的变化可以通过以下公式表示：C = ε₀ * ε_r * A / (d - w)，其中C是电容，ε₀是真空介电常数，ε_r是SiC的相对介电常数，A是边长的平方，d是空腔间距，w是膜片的最大挠度。在高温环境下，考虑到热效应，膜片的变形还会受到热膨胀和热传导的影响。 在实际应用中，由于高温可能导致传统引线性能下降，因此采用了非接触式的无源测试技术。传感器结构由电容与电感线圈串联组成LC谐振电路，通过耦合原理检测频率信号。通过读出电路（天线）进行扫频测量，当测量信号频率与传感器固有频率匹配时，发生共振，从而分析输入阻抗变化，进而计算出压力值。 在结构设计上，传感器利用了低温共烧陶瓷（LTCC）工艺，因为LTCC具有耐高温、自封装和低成本等优点，适合在400~600℃的高温环境中使用。通过玻璃浆料键合技术，将SiC敏感膜与LTCC陶瓷结合，并设计排气管道形成真空电容空腔。此外，还在陶瓷上印刷电感线圈，最后通过引线键合形成LC谐振电路。 总结来说，4H-SiC无线无源高温压力传感器的设计融合了先进的材料科学、微电子工艺和热力学分析，确保了在恶劣高温条件下的稳定性和测量精度。通过优化结构设计和制造工艺，实现了对高温环境压力的有效监测，具有重要的应用价值。