SOI压力传感器封装工艺研究

针对高温环境下各种气体和液体压力的测量要求，应用微机电系统技术研制了一种新型的SOI（Silicon on Insulator）压力传感器，并设计了一种耐高温的封装结构．采用有限元方法详细地分析了贴片材料对传感器灵敏度、应力分布及可靠性的影响．分析数据表明，贴片材料的杨氏模量和厚度对传感器的灵敏度和可靠性有较大影响，合理选择贴片材料可优化传感器性能．在分析的几种焊接材料中，AuSn焊料是一种性能优良的焊接材料，比较适合用于SOI耐高温压力传感器的封装工艺中．通过对研制压力传感器样品性能的测试，结果表明：该传感器测量精度达0．5％，测量压力量程为30MPa，测量介质温度为200℃．     

SOI高温压力传感器的研究现状

SOI(silicon on insulator)高温压力传感器是一种新型的半导体高温压力传感器,具有耐高温、抗辐射、稳定性好等优点,能够解决石油、汽车、航空、航天等领域对高温压力传感器的迫切需求,在高温领域有很大的潜力．本文论述了SOI材料的制备方法-特别是硅片直接键合技术(SDB),简单介绍了SOI压力传感器的优势、制作工艺以及SOI压力传感器的发展现状．     

光纤光栅冰力传感器的开发及应用

根据裸光纤光栅(FBG)对应变的灵敏度远高于对压力的灵敏度这一特点,设计了一种基于等强度梁结构的FBG冰力传感器,并可以通过调节封装构件的尺寸调节其测量压力的灵敏度系数。对传感器的标定结果显示,这种FBG冰力传感器的线性相关度良好,实测的灵敏度系数与理论值一致。该种传感器在冰激桥墩振动模型试验中得到了应用,成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力。实验表明,这种FBG传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响很小,可直接测量冰的撞击力,适合于模型实验中的冰力监测。     

新型封装的光纤光栅温度传感器的研究

提出了一种新型的光纤光栅(FBG,FiberBraggGrating)温度传感器封装技术.该传感器使用特殊的工艺将光纤光栅封装在涂覆有聚酰亚胺胶的凹槽基底材料上,基底材料也采用聚酰亚胺材料,该方法提高了传感器的灵敏度和可靠性.在40-120度的温度环境下,对这种新型光纤光栅温度传感器反射光谱反复进行了试验,并与陶瓷材料封装的光纤光栅温度传感器进行了比较,结果表明该新型传感器具有良好的响应特性.     

基于光纤布拉格光栅的流量测量方法

为了实现液压管路流量测量的需求,提出了一种使用固支梁作为流量转换单元的光纤光栅流量测量方法。为了克服单个光纤布拉格光栅传感器对温度交叉敏感的问题,设计出了一种基于双光纤布拉格光栅的流量测量结构。固支梁由芯杆和套管套合而成,两根光纤布拉格光栅穿过芯杆的凹槽,两端采用耐高温胶固定封装。用有限元软件对管路及传感结构周围的流体进行了模拟分析,同时进行了砝码加载实验、温度实验和液压管路实验。封装后的传感器的载荷响应灵敏度为0.990 7nm/kg和0.881 5nm/kg,两根光纤布拉格光栅对温度的灵敏度几乎一样:0.028 7nm/℃和0.025 9nm/℃,所以可以消除温度对流量测量的影响,由于实验系统的影响,该流量传感器的测量范围为0.001 7～0.6L/s。结果表明,该结构能够有效地消除温度和应变交叉敏感,特殊的封装结构避免了光纤布拉格光栅受流体的腐蚀,对载荷具有较好的线性度和灵敏度。     

高温压力传感器固态隔离封装技术的研究

论述了多晶硅高温压力传感器小型化固态隔离封装技术、静电键合技术、不锈钢膜片的选择及波纹设计技术、激光焊接技术、硅油充灌和硅油隔离技术等。以不锈钢膜片和高温硅油为隔离材料,使传感器的封装直径缩小到15 mm,在1 mA电流激励下传感器满量程输出为72 mV,零点稳定性为0.48% F.S/mon,提高了传感器的可靠性,拓宽了传感器的应用领域。     

压力传感器的应力计算

从弹性力学的板壳理论出发,对不同参数的凸型板结构形变膜受压后的应力分布作了近似计算,为高线性度SOI压力传感器的芯片设计提供了理论指导.用BESOI技术研制的凸型板结构集成压力传感器的非线性度达0.09%,样品灵敏度的实测值与应力计算理论值的差别约17%.     

基于光纤光栅的煤矿瓦斯压力传感器的研制

针对煤层瓦斯压力不能多点同步测量问题,提出一种基于弹性膜片的光纤光栅(fiber bragg grating,FBG)瓦斯压力传感器设计方案。采用膜片与腔体一体、光纤首尾开放的结构模式,并对封装后的传感器进行试验研究,针对FBG瓦斯压力传感器存在的温度-应力交叉敏感问题,进行了交叉敏感分析以及算法补偿,并对该传感器分别进行压力试验标定和温度影响试验标定。试验结果表明,该传感器压力范围0~10 MPa,温度灵敏度系数27.01 pm/℃,温度补偿后的压力灵敏度系数251.88 pm/MPa,与理论值接近。该传感器的结构模式可以有效避免安装误差和迟滞误差所带来的影响,同时便于组链开展多点分布式测量。     

无应力组合贴片天线传感器温度性能模拟测试

基于组合式贴片天线的无源无线传感器可应用于结构形变的测量,但环境温度的变化会影响组合式贴片天线的电磁性能。针对环境温度变化影响天线传感器性能的问题,通过温度效应影响理论研究了材料温度系数(热膨胀)和介电常数变化(电磁场变化)对组合式天线谐振频率的影响规律,采用多物理场耦合方法对组合式贴片天线传感器进行了温度效应的数值模拟,对受热膨胀和基板介电常数受热变化的影响进行了量化分析。基于数值模拟明确了天线谐振频率变化的主要原因是基板受热导致介电常数变化,材料受热膨胀引起的谐振频率变化约为主因引起变化的20%,且为负相关。通过试验进一步研究温度对谐振频率的影响,将组合式贴片天线置于温箱中测定了温度梯度下谐振频率变化。模拟和试验结果均表明,随温度的升高,组合式贴片天线一阶纵向谐振频率增加,且具有线性关系,线性拟合系数均高于0.93,模型仿真平均增量预测误差小于20%。明确了该类组合式天线可采用线性温度补偿机制进行形变测量值的修正,为组合式天线传感器在实际工程应用中提供了技术基础。     

面向新型电力系统的微磁场光学感知技术

随着新型电力系统的加速建设以及电力设备智能化程度的不断提升,电力设备的低碳化和数字化成为重要发展方向。其中,准确测量电力系统电工装备磁场分布是评估其健康状况、计算能量损耗、优化结构设计的关键。针对目前电工装备磁场的测量需求,环保型电力设备的监测瓶颈,本文提出一种无源全光纤磁场传感器。该传感器将磁-机换能电介质与法布里-珀罗（Fabry–Perot, F-P）光学干涉腔相耦合实现了外磁场的高精度无源测量。首先,根据F-P干涉原理设计了非本征型F-P干涉结构。其次,针对影响传感器灵敏度的主要影响因素进行研究与分析,通过实验研究了封装材料对传感器灵敏度的影响。针对直流磁场测量范围有限的问题,研究了传感器直流磁场测量范围的影响因素,并测量其在直流磁场下的传感性能。最后,针对电力系统下交流磁场的测试需求,对传感器在交流磁场下的动态跟随性能进行测试。结果表明：该传感器可实现交直流磁场的实时测量,直流磁场测量范围为0~120 mT,灵敏度为447 pm/mT,分辨率为17 μT。对50 Hz以下的交流磁场具有良好的动态跟踪性能。证明了其应用于新型电力系统无源磁场测量的可行性。本文所提出的光纤磁场传感器具有测量范围广的优点,且具有无源测量特性,无需更换传感器电池,且无需感应取电,满足低碳电力系统的发展要求。     

倒装芯片互连技术在光电子器件封装中的应用

分析了倒装芯片技术在光电子器件封装中应用时对基板和焊料的性能要求,在硅基板上设计和制作了用于激光芯片和光电探测器贴片的焊料凸点结构,并应用全自动贴片设备进行了贴片工艺试验.试验结果表明,倒装芯片技术可实现芯片与基板的高精度、高可靠性的互连,这种技术用于光收发器件的封装,可实现光电子器件的小型化和批量化生产,并能大大提高光收发模块的传输速率.     

井下热害防治材料研究

以硅灰石为基料,水泥为胶结料,珍珠岩、粉煤灰及多种外加剂为掺合料,研制出了28 d抗压强度为1.6 MPa,导热系数为0.17 W/m.K的井下隔热材料.该材料密度小,导热系数低,可用于井下热源屏蔽材料.SEM显微形貌表明,该材料内部孔径小、孔隙分布均匀,工程应用取得了良好的隔热性能.     

半导体高温压力传感器的静电键合技术

分析了硅－玻璃静电键合机制，讨论了键合强度与玻璃表面、温度、键合电压的关系；通过缓慢降温等措施减小了键合后的残余应力。针对多晶硅高温压力传感器设计研制了一套装置，给出了其工作机制和键合电流－时间（I-t)关系。经大批量键合封接实验，键合的成品率达到95％以上，有效提高了多晶硅高温压力传感器的可靠性。     

基于CC2530的无线温度传感网络的设计

针对高温恶劣的工业生产环境,阐述了一种基于CC2530的片上温度测量解决方案,设计了以K型热电偶和模数转换芯片MAX6675为温度采样模块的无线温度传感网络。将ZigBee技术应用到分布式温度测量,硬件上以CC2530芯片为核心,克服了有线网络的局限性,测温精度较高。实验结果表明,系统运行实时、稳定、精确,测温误差保持在2℃以内,满足实际工业现场需求。     

Ti—Ni形状记忆合金的高温变形性能

为了研究Ti—Ni形状记忆合金在不同温度、应变率和应力状态下的力学性能,进行了单向拉伸和热胀形试验研究．采用单向拉伸试验,分析了温度和应变速率的变化对材料流动应力及塑性成形的影响．通过热胀形实验,研究了压力,保压时间及凹模直径对成形性能的影响．发现成形件高度主要受压力影响,而凹模直径则对壁厚分布影响较大．     

Simulation and analysis of effects of Young''s modulus of isolation material on natural frequencies of the sensor package and displacement of the chip

For the first time an anti-shock packaging model of an acoustic-vibration sensor system has been designed by using the shocking isolation principle. The finite element analysis has been applied for design and simulation of the model. The effects of Young's modulus of anti-shock rubber on naturally occurring frequencies of the combination of rubber and an acoustic sensor chip were analyzed. The displacement of the acoustic sensor chip is loaded with force. The results of static analysis and harmonic analysis show that while increasing Young's modulus of anti-chock rubber, the first five natural frequencies of the package body also increases. Yet the displacement of the acoustic sensor chip around the resonant frequency decreases. The results of static and transient analysis show that the displacement of the acoustic sensor chip decreases with the increase of Young's modulus of anti-chock rubber being loaded with either transient force or static force at the bottom of the combination of rubber and acoustic sensor chip.     

一种多功能电话自动报警系统

介绍了一种由单片机、电话网及各种传感器构成的多功能自动报警系统.这种报警系统采用美国ISD公司的ISD4002系列芯片和台湾义隆公司的EM78P156EL作为语音和传感器无线收发射器,通过收集各种传感器的信号,当出现异常情况时通过电话发出相应的报警信息,提供经济、快速、准确、全面的安全保障.     

底充胶导热系数预测及对倒装焊温度场的影响

根据导热的基本理论和Haiying Li的研究数据拟合出填加了碳纤维、Silica的环氧树脂封装材料的导热系数预测公式，依此公式可预测出相关复合材料的导热系数．利用有限元方法对电子封装倒装焊中不同导热系数的底充胶材料对温度场的影响进行了分析比较．表明高导热系数的底充胶可明显降低在芯片和基板之间的温度差，降低底充胶的热应力，进而提高电子封装的可靠性．     

大功率LED粘结材料及热沉材料热分析

本文介绍了ANSYS有限元分析软件在大功率LED封装材料热分析中的应用,同时对1WLED的封装结构进行了热模拟分析,比较了3种不同的粘结材料和3种不同的热沉材料对LED封装结构的温度场分布,并对所模拟出的温度分布进行对比。结果表明,提高封装的粘结材料和热沉材料的导热率能够有效地降低芯片温度,从而提高LED的使用寿命。