多晶硅纳米薄膜压力传感器设计

作     者：王健 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：揣荣岩

授予年度：2009年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：多晶硅纳米薄膜 压力传感器 有限元 肖特基二极管 版图 

摘      要：半导体压力传感器在现代社会中具有广泛的应用,采用新材料是提高传感器性能的有效途径。最新研究结果表明多晶硅纳米薄膜(PSNF)具有比普通多晶硅薄膜更为优越的压阻特性。为使这种薄膜在传感器上得到有效应用,本文对已有半导体传感器设计进行系统研究,充分利用材料的压阻特性,给出了PSNF压力传感器设计方法,采用常规工艺制作了传感器芯片,测试结果表明达到设计目标。 PSNF是膜厚接近或小于100nm的多晶硅薄膜,在掺杂浓度为3×10 cm附近时具有显著的隧道压阻效应,表现出比常规多晶硅薄膜更优越的压阻特性,应变因子(GF)可达34,比普通多晶硅薄膜高20%以上:应变因子温度系数(TCGF)可小于1×10/℃,比普通薄膜小一倍以上;电阻温度系数(TCR)可小于1×10/℃,几乎比普通薄膜小一个数量级。这对发展高灵敏、低温漂、宽工作温度范围的低成本压力传感器具有重要的应用价值。 根据PSNF压阻特性和硅杯腐蚀技术条件确定弹性膜片结构,并采用有限元分析方法对弹性膜片尺寸以及应变电阻分布进行了优化。为了实现温度补偿,本文在压力传感器芯片上设计一个肖特基二极管作温度传感器,并使其不增加压力传感器工艺步骤。MEDICI软件仿真结果表明所设计的肖特基二极管结温度系数为-6.70mV/℃。 依据优化设计结果试制了量程为1 MPa的压力传感器芯片。测得传感器灵敏度为10mV/MPa·V;零点温度系数≤1×10 FS/℃;灵敏度温度系数数值(电路补偿前)≤|-1×10| FS/℃;全精度≤0.24%FS。实验结果说明PSNF压力传感器工艺简单、高温特性好、灵敏度高,达到高精度等级。