基于MEMS技术制作MOSFET压力传感器研究

摘要

压力传感器被广泛应用于医疗、工业过程监控、生物和航空等各个领域。据相关文献介绍，压力传感器种类繁多，其中多数都是采用硅材料制作的。扩散硅式压力传感器具有灵敏度高且可以小型化、集成化等许多优点，近些年有长足的发展。本文基于MEMS技术制作的MOSFETs压力传感器是在硅杯的方形硅膜上采用微机械加工工艺制作四个P沟道增强型场效应管(P-MOSFET)，使硅膜上的四个P-MOSFETs组成惠斯通电桥。利用半导体压阻效应，令两个P-MOSFETs置于硅敏感膜的径向位置，而另外两个P-MOSFETs置于硅敏感膜的横向位置。传感器受电源激励时，对硅敏感膜施加压力，电桥中两个径向的P-MOSFETs沟道等效电阻阻值增大，两个横向P-MOSFETs沟道等效电阻阻值减小。因此使桥路失去平衡，产生端电压输出，从而实现了将力学量信号转化为与之有对应关系的电压信号。 本文在综述了国内外压力传感器研究概况的基础上，阐述了MOSFETs压力传感器的结构设计、工作原理、制造工艺和该新结构传感器的计算机仿真，对实验研制的MOSFETs压力传感器I-V特性、压敏特性、温度特性进行了实验测试和静态特性分析。实验结果表明，研制的MOSFETs压力传感器灵敏度为8.9mV/100KPa，线性度为±1.651％F·S，迟滞为±0.529％F·S，重复性为±1.550％F·S，精度是2.326％F·S，零点输出的温度系数为1.32％/℃，灵敏度的温度系数为-0.33％/℃，符合设计要求。 本文设计的MOSFETs压力传感器信号容易采集，测试系统简单；很好地克服了MOSFET电容式压力传感器的测试电路复杂且微小电容信号难以测量的缺点。同时，本文的MOSFETs压力传感器采用P-MOSFET沟道等效电阻做压敏电阻，代替了以往的扩散硅压敏电阻；不但增强了传感器的稳定性，降低了传感器的噪声，而且测量信号稳定，温度特性较好。基于MEMS技术制作的MOSFETs压力传感器的制作工艺与集成电路工艺相兼容，有广泛的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2半导体压阻效应的研究进展

1.3压阻式压力传感器的优越性

1.4压力传感器的发展趋势和发展动向

1.5压力传感器的最新成果

1.6本章小结

第2章MOSFETs压力传感器的工作原理

2.1应力和应变

2.2压阻效应和压阻系数

2.3灵敏系数分析

2.4 P-MOSFET工作原理

2.5 MOSFETs压力传感器的调零问题

2.6 MOSFETs压力传感器的灵敏度温度补偿

2.7 MOSFETs压力传感器的输出

2.7.1恒压源供电

2.7.2恒流源供电

2.8本章小结

第3章MOSFETs压力传感器的结构设计与分析

3.1敏感膜厚度

3.2 MOSFETs沟道P-掺杂区的设计

3.3 P-MOSFETs沟道位置的确定

3.4应力计算

3.5满量程输出的理论计算

3.6本章小结

第4章MOSFETs压力传感器的版图设计与制作工艺

4.1 MOSFETs压力传感器版图设计

4.2 MOSFETs压力传感器的制作工艺

4.2.1氧化工艺原理

4.2.2光刻工艺

4.2.3 LPCVD

4.2.4离子注入

4.2.5蒸铝工艺

4.2.6 ICP刻蚀

4.3 MOSFET压力传感器的管芯照片和封装照片

4.4本章小结

第5章MOSFETs压力传感器的仿真结果

5.1 Tanner软件简介

5.2 MOSFETs压力传感器的直流分析

5.3 MOSFETs压力传感器的交流分析

5.4 MOSFETs压力传感器的版图设计

5.5本章小结

第6章MOSFETs压力传感器的实验结果与讨论

6.1 P-MOSFET的实验结果与讨论

6.2室温下MOSFETs压力传感器的实验结果

6.3 MOSFETs压力传感器的静态特性

6.3.1线性度

6.3.2 迟滞

6.3.3重复性

6.3.4灵敏度

6.3.5精度

6.4 MOSFETs压力传感器的温度特性

6.5本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术论文