多晶硅纳米薄膜压阻特性及其压力传感器应用研究

摘要

多晶硅薄膜良好的压阻特性使其在压阻式传感器中得到了广泛应用。已有研究结果表明，多晶硅纳米薄膜与普通多晶硅薄膜相比具有更加优越的压阻特性，因此有着广阔的应用前景。
　　本文对多晶硅纳米薄膜的压阻特性进行研究，主要包括工艺条件对压阻特性的影响和多晶硅纳米薄膜杨氏模量的研究。在对压阻特性进行研究的基础上，进行多晶硅纳米薄膜的压力传感器应用研究。
　　在工艺条件对压阻特性的影响研究中，利用LPCVD方法在不同工艺条件下制备了多晶硅纳米薄膜，研究了工艺条件对多晶硅纳米薄膜电阻、应变系数及其温度系数的影响，选取了优化工艺条件。此时，多晶硅纳米薄膜的应变系数达到34，比相同掺杂浓度的普通多晶硅薄膜高25％以上；应变系数的温度系数在1×10-3/℃附近，比普通多晶硅薄膜小近一倍；电阻的温度系数小于1×10-4/℃，比普通多晶硅薄膜小近一个数量级。优化工艺条件的选取，为多晶硅纳米薄膜的压力传感器应用研究提供了必要的设计依据。此外，还研究了掺杂浓度与压阻非线性的关系。对多晶硅纳米薄膜的压阻非线性进行了分析，发现多晶硅纳米薄膜的压阻非线性主要来源于晶界。对于多晶硅纳米薄膜，晶粒度很小，随着掺杂浓度的变化，晶界宽度发生变化，同时晶界压阻效应在多晶硅压阻效应中占据的比重也发生变化，因此晶界对多晶硅压阻非线性的影响随着掺杂浓度的变化而变化。掺杂浓度与压阻非线性关系的研究同样为研制多晶硅纳米膜压力传感器提供了设计依据。
　　在压阻特性的研究中，对多晶硅纳米薄膜的杨氏模量进行了研究。在隧道压阻理论中，多晶硅纳米薄膜的杨氏模量是采用单晶硅的杨氏模量与一修正系数相乘而来，而对该修正系数的取值并没有给出合理的解释。在传感器的结构设计中，为了使有限元仿真结果与实际情况更加接近，需要多晶硅纳米薄膜的杨氏模量作为仿真参数。本文利用扫描电镜和透射电镜对多晶硅纳米薄膜的微观结构进行表征，根据多晶硅纳米薄膜的生长、结构特点，建立了晶粒模型。以该模型为基础，提出了用于计算多晶材料纳米薄膜杨氏模量的方法，并计算了多晶硅纳米薄膜的杨氏模量。利用原位纳米力学测试系统对多晶硅纳米薄膜的杨氏模量进行了测试。理论计算结果与测试结果进行比较，二者吻合。多晶硅纳米薄膜杨氏模量的研究完善了隧道压阻理论，同时为后续压力传感器的结构设计提供了依据。
　　在对多晶硅纳米薄膜压阻特性进行研究的基础上，进行了多晶硅纳米薄膜的压力传感器应用研究。对多晶硅纳米膜压力传感器进行有限元仿真，根据仿真结果对传感器的结构进行了优化设计。利用多晶硅纳米薄膜作为传感器压敏电阻的制作材料，制定完整工艺流程，解决了传感器研制过程中的关键工艺，完成压力传感器的研制。该压力传感器的量程为0～0.6MPa。多晶硅纳米薄膜具有良好的高温压阻特性，在0～200℃的温度范围内，对所研制传感器的性能进行了测试。将研制的多晶硅纳米膜压力传感器和普通多晶硅压力传感器以及其他类型高温压力传感器进行比较，多晶硅纳米膜压力传感器具有高灵敏度、低温度系数以及工艺简单等优点。
　　本文为将多晶硅纳米薄膜应用于压阻式传感器的研究奠定了基础，同时实现了多晶硅纳米膜压力传感器的研制。

目录

多晶硅纳米薄膜压阻特性及其压力传感器应用研究

INVESTIGATION ON PIEZORESISTIVE PROPERTIES OF POLYSILICON NANOFILM AND ITS APPLICATION FOR PRESSURE SENSORS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 论文主要研究内容

第2章 工艺条件对多晶硅纳米薄膜压阻特性的影响

2.1 多晶硅薄膜的制备与结构表征

2.2 工艺条件对多晶硅纳米薄膜压阻特性的影响

2.3 工艺条件对多晶硅纳米薄膜压阻非线性的影响

2.4 多晶硅纳米薄膜优化工艺条件

2.5 本章小结

第3章 多晶硅纳米薄膜的杨氏模量研究

3.1 单晶硅的杨氏模量

3.2 方向余弦矩阵、欧拉角与立体角

3.3 多晶硅纳米薄膜的晶粒模型

3.4 多晶硅纳米薄膜的杨氏模量

3.5 本章小结

第4章 多晶硅纳米薄膜的压力传感器应用研究

4.1 半导体的压阻效应

4.2 多晶硅压力传感器的工作原理

4.3 多晶硅纳米膜压力传感器的设计

4.4 多晶硅纳米膜压力传感器的制作

4.5 本章小结

第5章 多晶硅纳米膜压力传感器的测试与分析

5.1 压力传感器静态特性技术指标

5.2 测试系统与测试方法

5.3 测试结果与分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

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哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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