基于非对称基区晶体管压力传感器温度补偿集成化研究

摘要

本文基于双极工艺和MEMS技术在SOI片（器件层为n型<100>晶向高阻硅）上设计、制作非对称基区晶体管温度补偿压力传感器，压敏结构由C型硅杯和方形硅膜上四个p型扩散压敏电阻构成的惠斯通电桥组成，温度补偿结构由非对称基区晶体管构成。当施加压力P时，方形硅膜发生弹性形变，压敏电阻阻值改变导致惠斯通电桥输出电压发生变化，理论分析给出，压敏结构可实现外加压力P的测量。利用PN结导通电压温度系数为负，采用非对称基区晶体管结构对压力传感器灵敏度负温度系数进行温度补偿，通过改变基区电阻的比例，实现补偿优化。基于ANSYS软件构建压力传感器结构仿真模型，研究硅膜形状、尺寸对传感器特性影响，并结合MATLAB计算方形硅膜上电阻的位置分布，进行具有温度补偿结构压力传感器优化设计。
　　本文采用L-Edit软件实现芯片版图设计，并在SOI片上实现具有温度补偿结构压力传感器芯片制作和封装，通过采用全自动压力变送器测试系统(AmericanMensor CPC6000)、高低温实验箱(OBIS GDJS-100LG-G)和压力测试盘等搭建的测试系统，对非对称基区晶体管温度补偿压力传感器进行特性研究。实验结果给出，在室温条件下，供电电压5.0 V，压力传感器灵敏度为0.227 mV/kPa;温度范围为-40℃到100℃变化时，该压力传感器的灵敏度温度漂移为-1862 ppm/℃，补偿后灵敏度温度漂移为-1067 ppm/℃;对非对称基区晶体管进行优化设计，最终补偿后灵敏度温度漂移为-127 ppm/℃。研究结果表明，本文设计、制作的具有温度传感器结构的压力传感器具有较好的压敏特性和温度特性。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究目的和意义

1．1．1 研究目的

1．1．2 研究意义

1．2 压力传感器研究现状

1．2．1 纳米多晶硅压力传感器研究现状

1．2．2 S0I压力传感器研究现状

1．3 传感器温度补偿研究现状

1．4 论文主要研究内容

第二章 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器基本结构与工作管理

2．1 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器基本结构

2．2 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器工作原理

2．2．1 压力传感器工作原理

2．2．2 非对称基区晶体管温度补偿工作原理

2．3 本章小结

第3章 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器芯片结构设计

3．1 压力传感器硅膜形状仿真设计

3．1．1 ANSYS静态力学分析简介

3．1．2 压力传感器硅膜形状的选择

3．1．3 压力传感器硅膜尺寸的优化设计

3．2 压力传感器扩散电阻位置设计

3．2．1 硅膜应力分布计算

3．2．2 硅膜电阻位置计算

3．3 压力传感器理论灵敏度计算

3．4 非对称基区晶体管基区电阻比设计

3．5 本章小结

第4章 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器芯片制作与封装

4．1 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器芯片版图

4．2 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器制作工艺

4．3 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器芯片封装

4．3．1 封装管座设计

4．3．2 静电键合

4．4 本章小结

第5章 实验结果与分析

5．1 压力传感器静态特性

5．1．1 压力传感器静态特性主要指标

5．1．2 压力传感器静态特性计算程序

5．1．3 压力传感器静态特性实验测试

5．1．4 压力传感器静态特性曲线绘制

5．2 非对称基区晶体管特性

5．2．1 非对称基区晶体管I-V特性

5．2．2 非对称基区晶体管温度特性

5．3 非对称基区晶体管温度补偿压力传感器温度特性

5．3．1 补偿前压力传感器温度特性

5．3．2 补偿后压力传感器温度特性

5．4 非对称基区晶体管优化设计

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文

攻读学位期间科研项目

附录

声明