本文關(guān)鍵詞：基于犧牲層技術(shù)的多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：硅基壓阻式壓力傳感器應(yīng)用廣泛,在傳感器中具有十分重要的地位。該傳感器的發(fā)展方向是小型化、高靈敏度、良好溫度特性和集成化,為此學(xué)者們對半導(dǎo)體力敏材料和傳感器結(jié)構(gòu)進行了深入研究。研究表明多晶硅納米薄膜具有良好的壓阻特性,并較好地應(yīng)用于體硅壓力傳感器。但該材料現(xiàn)有的的壓阻系數(shù)算法理論推導(dǎo)存在一定欠缺,且該材料的應(yīng)用范圍亟待擴大。為了改進多晶硅的壓阻系數(shù)算法,本文提出了一種p型多晶硅納米薄膜壓阻系數(shù)算法,該算法計算的應(yīng)變因子(GF)與測試結(jié)果具有良好的一致性。并且,為了有效利用多晶硅納米薄膜的優(yōu)良壓阻特性,設(shè)計研制了一種以多晶硅納米薄膜為力敏電阻的犧牲層壓阻式壓力傳感器芯片,該傳感器芯片具有體積小、滿量程輸出高、過載能力強和易集成的優(yōu)點,應(yīng)用前景良好。隧道壓阻理論利用量子隧道效應(yīng)和能帶退耦分裂理論,闡明了隧道壓阻效應(yīng)的形成機理,在此基礎(chǔ)上建立了多晶硅壓阻特性的新模型——隧道壓阻模型(TPM),該理論較好解釋了重摻雜p型多晶硅納米薄膜應(yīng)變因子較高的現(xiàn)象。但是,現(xiàn)有的基于該理論的壓阻系數(shù)算法以p型單晶硅壓阻實測數(shù)據(jù)擬合曲線為基礎(chǔ)求取壓阻系數(shù)與摻雜雜質(zhì)濃度關(guān)系模型,且只給出壓阻系數(shù)π44模型。因此,該算法需要改進。本文根據(jù)硅價帶和空穴電導(dǎo)有效質(zhì)量隨應(yīng)力改變的機理,采用多晶硅隧道壓阻模型,提出了一種多晶硅納米薄膜壓阻系數(shù)算法。該算法給出了p型多晶硅納米薄膜壓阻系數(shù)與摻雜濃度關(guān)系式,其中包括基礎(chǔ)壓阻系數(shù)π11、π12和π44,并可以依此求取任意比例晶向排列的多晶硅應(yīng)變因子。依據(jù)該算法繪制了多晶硅納米薄膜應(yīng)變因子與摻雜濃度關(guān)系曲線,與測試數(shù)據(jù)對比具有較好的一致性。表明提出的壓阻系數(shù)算法合理地解釋了多晶硅納米薄膜應(yīng)變因子與摻雜濃度關(guān)系,豐富了壓阻理論。為了充分發(fā)揮多晶硅納米薄膜壓阻特性,以及犧牲層傳感器的體積小、易集成的優(yōu)點,本文研制了一種以p型多晶硅納米薄膜為力敏電阻的犧牲層壓阻式壓力傳感器芯片,該傳感器芯片以硅為襯底,一個臺階型多晶硅膜片與襯底構(gòu)成真空腔,密封的刻蝕孔排列在膜片四周,膜片上的四個力敏電阻用金屬連接構(gòu)成惠斯通電橋,將壓力轉(zhuǎn)換為電壓輸出。采用有限元分析軟件,使用大變形和非線性接觸方法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。利用多晶硅具有較高的抗拉強度的特點,給出了根據(jù)量程設(shè)計多晶硅膜片尺寸的方法,通過調(diào)整腔體高度提高了傳感器的過載能力。依據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計了傳感器的工藝步驟。在工藝步驟中,使用等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)技術(shù)淀積二氧化硅,采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)技術(shù)淀積多晶硅,使用濕法腐蝕技術(shù)去掉犧牲層,采用等離子體刻蝕技術(shù)制備腐蝕孔,采用離子注入技術(shù)摻雜硼雜質(zhì),采用濺射技術(shù)淀積金屬,采用退火工藝減少多晶硅膜片內(nèi)應(yīng)力和激活雜質(zhì),采用叔丁醇冷卻干燥方法防止膜片與腔體底部黏附。依據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝步驟,本文試制了四批傳感器樣片,其中第一批樣片因漏氣而失效,通過改進工藝第二批樣片解決了漏氣問題,但由于無壓力時膜片與襯底黏附,傳感器靈敏度很低。調(diào)整工藝方法試制了第三批樣片,但由于使用低濃度腐蝕液導(dǎo)致犧牲層沒有腐蝕干凈。在調(diào)整腐蝕液濃度后試制的第四批樣品達到設(shè)計要求。量程為2.5MPa的傳感器樣片測試結(jié)果表明:在25℃,5V電壓源供電的滿量程輸出為362mV,非線性為0.21%FS,重復(fù)性為0.22%FS,遲滯為0.22%FS,過載壓力為18MPa;在-55℃~150℃范圍內(nèi),熱零點漂移為㧟0.01%FS/℃,熱靈敏度漂移為㧟0.1%FS/℃。與已報道的犧牲層壓阻式壓力傳感器比較,研制的傳感器量程和工作溫度范圍寬,滿量程輸出高,線性和遲滯性能好,但熱靈敏度漂移稍差。與當(dāng)前著名傳感器企業(yè)生產(chǎn)的相近量程硅基壓力傳感器比較,研制的傳感器具有體積小、滿量程輸出高和過載能力強的優(yōu)點。具體地說,試制傳感器樣品實現(xiàn)了滿量程輸出擴大3倍以上,且具有良好的線性性能;試制傳感器實現(xiàn)了過載能力是滿量程的7倍以上,與典型的2~5倍滿量程過載能力相比,過載能力明顯提高;但重復(fù)性和熱靈敏度漂移性能稍差,需要在進一步研究中改進。
【關(guān)鍵詞】：壓力傳感器 多晶硅納米薄膜 犧牲層 過載能力 壓阻系數(shù)
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-31
• 1.1 課題的目的和意義12-13
• 1.2 多晶硅壓阻特性研究概述13-18
• 1.2.1 單晶硅壓阻效應(yīng)模型14
• 1.2.2 多晶硅遷移率模型14-15
• 1.2.3 多晶硅基于單晶硅壓阻效應(yīng)的模型15-16
• 1.2.4 多晶硅考慮勢壘區(qū)壓阻效應(yīng)的模型16-17
• 1.2.5 多晶硅隧道壓阻模型及算法17
• 1.2.6 多晶硅上下限近似模型17-18
• 1.2.7 小結(jié)18
• 1.3 硅壓阻式壓力傳感器研究概述18-26
• 1.3.1 硅壓阻式壓力傳感器分類概述19-20
• 1.3.2 硅壓阻式壓力傳感器發(fā)展概述20-21
• 1.3.3 犧牲層壓阻式壓力傳感器研究概述21-26
• 1.3.4 小結(jié)26
• 1.4 犧牲層工藝關(guān)鍵技術(shù)研究概述26-29
• 1.4.1 多晶硅薄膜的內(nèi)應(yīng)力調(diào)整26-28
• 1.4.2 防黏附技術(shù)28-29
• 1.5 課題研究主要內(nèi)容29-31
• 第2章 多晶硅納米薄膜壓阻系數(shù)算法31-59
• 2.1 引言31
• 2.2 P型多晶硅納米薄膜表觀和壓阻特性概述31-34
• 2.2.1 多晶硅納米薄膜表觀32
• 2.2.2 多晶硅納米膜壓阻特性32-34
• 2.3 P型多晶硅能帶和導(dǎo)電機理34-37
• 2.3.1 p型多晶硅能帶結(jié)構(gòu)34-36
• 2.3.2 電流傳輸方式36-37
• 2.4 隧道壓阻模型37-41
• 2.4.1 多晶硅隧道壓阻模型37-39
• 2.4.2 隧道壓阻模型驗證39-41
• 2.5 P型多晶硅納米薄膜壓阻系數(shù)算法41-58
• 2.5.1 p型單晶硅價帶及電導(dǎo)有效質(zhì)量隨應(yīng)力變化關(guān)系41-43
• 2.5.2 p型多晶硅納米薄膜晶粒中性區(qū)壓阻系數(shù)43-48
• 2.5.3 p型多晶硅納米薄膜晶界勢壘區(qū)的壓阻系數(shù)48-50
• 2.5.4 p型多晶硅納米薄膜等效隧道電阻的壓阻系數(shù)50-53
• 2.5.5 p型多晶硅納米薄膜復(fù)合晶界的壓阻系數(shù)53-54
• 2.5.6 p型多晶硅納米薄膜的應(yīng)變因子54-58
• 2.6 本章小結(jié)58-59
• 第3章 犧牲層結(jié)構(gòu)多晶硅納米膜壓阻式壓力傳感器設(shè)計59-82
• 3.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計59-71
• 3.1.1 電阻尺寸設(shè)計62-63
• 3.1.2 膜片尺寸設(shè)計63-69
• 3.1.3 過載能力設(shè)計69-71
• 3.2 傳感器工藝設(shè)計71-80
• 3.2.1 工藝選擇72-78
• 3.2.2 減少膜片內(nèi)應(yīng)力和防黏附方法78-79
• 3.2.3 工藝步驟79-80
• 3.3 本章小結(jié)80-82
• 第4章 傳感器芯片研制與測試82-102
• 4.1 傳感器性能指標(biāo)計算方法82-84
• 4.2 第一批樣品測試結(jié)果和討論84-85
• 4.3 第二批樣品測試結(jié)果和討論85-92
• 4.4 第三批和第四批樣品測試結(jié)果和討論92-101
• 4.5 本章小結(jié)101-102
• 第5章 結(jié)論102-103
• 參考文獻103-112
• 在學(xué)研究成果112-113
• 致謝113

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本文編號：260453