基于MEMS技术纳米多晶硅薄膜压力传感器制作及特性研究

摘要

随着纳米技术发展，纳米多晶硅薄膜表现出优异的压阻特性，本文基于MEMS技术在<100>晶向单晶硅衬底上设计、制作纳米多晶硅薄膜压力传感器。通过采用LPCVD法在SiO2层上制备纳米多晶硅薄膜，薄膜厚度分别为61nm、82 nm、114nm和170nm，通过XRD和SEM，研究薄膜厚度和退火温度对纳米多晶硅薄膜微结构特性的影响，XRD测试结果表明，纳米多晶硅薄膜在<111>晶向、<220>晶向和<311>晶向形成硅衍射峰，择优取向为<220>晶向，随着薄膜厚度增加，硅衍射峰强度增强，随着退火温度升高，衍射峰强度增强，晶粒尺寸增大;SEM测试结果表明，薄膜表面均匀，平整度较好，当薄膜厚度为61 nm时，晶粒尺寸约为40 nm，随着膜厚增加，晶粒尺寸增大。基于压阻效应，本文在C型单晶硅杯上设计四个纳米多晶硅薄膜电阻，构成惠斯通电桥结构，当外加压力P≠0 kPa时，硅膜发生弹性形变，引起纳米多晶硅薄膜电阻阻值发生变化，桥路输出电压发生改变，实现对外加压力的检测。通过采用MEMS技术和LPCVD方法，实现尺寸为5 mm×5mm的纳米多晶硅薄膜压力传感器芯片的制作。在室内环境温度为20℃，相对湿度为15％RH的条件下，采用压力校准系统(Fluke719100G)、数字万用表(Agilent34401A)、恒压源(Rigol DP832)及高低温湿热试验箱(GDJS-100G)对纳米多晶硅薄膜压力传感器进行测试。实验结果表明，当工作电压VDD=5.0 V时，薄膜厚度为170nm，硅膜厚度为56μm，压敏电阻长宽比为320μm/80μm的压力传感器，其满量程(400kPa)输出电压为128.10 mV，灵敏度为0.31 mV/kPa，线性度为0.38％F.S.，重复性为0.19％F.S.，迟滞为0.15％F.S.，准确度为0.46％F.S.，在-40℃～150℃环境温度下，灵敏度温度系数为-0.099％/℃，相同条件下，硅膜厚度为47μm的压力传感器，灵敏度可达到0.45 mV/kPa。
　　实验结果表明，本文设计、制作的纳米多晶硅薄膜压力传感器能够实现对压力的检测，具有良好的压敏特性和温度特性，为压力传感器在提高灵敏度和改善温度特性方面的研究奠定基础。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 多晶硅薄膜材料研究现状

1．1．1 多晶硅薄膜材料国内研究现状

1．1．2 多晶硅薄膜材料国外研究现状

1．2 多晶硅压力传感器研究现状

1．2．1 多晶硅压力传感器国内研究现状

1．2．1 多晶硅压力传感器国外研究现状

1．3 新型压力传感器研究现状

1．3．1 新型压力传感器国内研究现状

1．3．2 新型压力传感器国外研究现状

1．4 纳米多晶硅薄膜压力传感器研究目的和研究意义

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究意义

1．5 论文主要研究内容

第2章 纳米多晶硅薄膜制备及特性研究

2．1 纳米多晶硅薄膜制备

2．2 纳米多晶硅薄膜微结构特性研究

2．2．1 XRD测试

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．3 本章小结

第3章 纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构与工作原理

3．1 纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构

3．2 纳米多晶硅薄膜压力传感器工作原理

3．2．1 压阻效应

3．2．2 压敏结构工作原理

3．3 本章小结

第4章 纳米多晶硅薄膜压力传感器仿真分析

4．1 纳米多晶硅薄膜压力传感器硅膜特性分析

4．1．1 不同形状硅膜应力分析

4．1．2 压力传感器硅杯结构模型仿真分析

4．2 纳米多晶硅薄膜压力传感器电阻布局分析

4．3 纳米多晶硅薄膜承载能力分析

4．4 本章小结

第5章 纳米多晶硅薄膜压力传感器结构设计与制作工艺的研究

5．1 纳米多晶硅薄膜压力传感器结构设计

5．1．1 硅杯结构设计

5．1．2 纳米多晶硅薄膜压敏电阻分布位置设计

5．1．2 纵向纳米多晶硅薄膜电阻R3和R4位置设计

5．1．2 横向纳米多晶硅薄膜电阻R1和R2位置设计

5．2 纳米多晶硅薄膜压力传感器制作工艺

5．3 纳米多晶硅薄膜压力传感器版图设计

5．4 纳米多晶硅薄膜压力传感器芯片封装

5．5 本章小结

第6章 实验结果与讨论

6．1 纳米多晶硅薄膜压敏电阻I-V特性

6．2 纳米多晶硅薄膜压力传感器压敏特性

6．2．1 纳米多晶硅薄膜压敏电阻尺寸及分布位置对压敏特性的影响

6．2．2 纳米多晶硅薄膜厚度对压敏特性的影响

6．2．3 硅膜厚度对压敏特性的影响

6．3 纳米多晶硅薄膜压力传感器静态特性

6．3．1 线性度

6．3．2 重复性

6．3．3 迟滞

6．3．4 准确度

6．3．5 灵敏度

6．3．6 纳米多晶硅薄膜压力传感器温度特性

6．4 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

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