CMOS MEMS温度传感器的研究

摘要

温度检测对人类的生产、生活具有十分重要的影响。作为温度的载体，温度传感器应用范围极其广泛，其类型也非常多，如热电偶、热敏电阻和半导体温度传感器等。其中CMOS集成温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小等诸多优点，但其工作温度范围窄(-55～150℃左右)，难以应用到一些特殊的低温检测领域如探空仪等。由于微机电系统同样具有体积小、功耗低、时间常数小等优点，使得其为温度传感器的设计提供了新途径。本文提出一种具有较宽测量范围的MEMS压阻式温度传感器以及一种基于氧化石墨烯材料的新型电容式MEMS温度传感器，主要内容包括: (1)提出了一种基于CMOS MEMS技术的压阻式温度传感器结构。该温度传感器以自带压阻元件的多层悬臂梁结构作为温度敏感和检测结构。 (2)根据两层梁的Timoshenko模型建立了传感器的多层悬臂梁结构推广Timoshenko模型，分析了影响多层悬臂梁结构的温度—应力响应特性的几种因素，以及讨论了压阻元件在梯度变化的温度应力作用下的压阻变化，首次提出了形成压阻时离子注入的结深会影响压阻式温度传感器输出特性的观点，并以此为基础建立了多层悬臂梁压阻式温度传感器的温度—输出电压推广模型。 (3)利用Ansys有限元分析软件，建立了多层悬臂梁压阻式MEMS温度传感器的热—应力/应变—电场多元耦合分析模型，并采用该模型进一步优化了推广模型得到的器件结构，再结合实际制造工艺，确定了温度传感器的结构参数。在确定了温度传感器的结构参数后，分别利用推广模型建立的温度传感器的温度—输出电压模型和有限元多元耦合分析模型对温度传感器的输出特性作了模拟预测。 (4)首次采用外延封腔CMOS MEMS工艺研制出多层悬臂梁压阻式MEMS温度传感器，并进行了参数测试。结果表明，设计的压阻式温度传感器具有较低的测量温度下限（实测-90～60℃）、可达7.4mV/℃的灵敏度，达到了探空仪温度检测的极限参数。并且该传感器的制造工艺与CMOS集成工艺兼容，具有批量化、集成化优点。 (5)首次对基于氧化石墨烯材料的电容式MEMS温度传感器展开了研究。开发了一种基于低温Au-Au键合工艺的体硅post-CMOS MEMS制造工艺，并利用此工艺制造了电容式MEMS温度传感器的电容电极。并将氧化石墨烯作为电容式温度传感器的敏感材料来进行温度的检测。测试结果表明氧化石墨烯电容式MEMS温度传感器具有高灵敏度特点及在低温检测环境中的应用前景。同时验证了氧化石墨烯具有随着温度变化其介电常数迅速变化的特点。 本文系统地研究了悬臂梁压阻式MEMS温度传感器，该传感器具有体积小、量程宽、热响应时间短、与CMOS工艺兼容等特点，为探空仪用低温温度传感器提供了良好的解决方案;并基于氧化石墨烯材料，设计并制备了一种高灵敏度、低功耗、与CMOS工艺兼容的新型电容式MEMS温度传感器。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 温度、温标、温度的测量及温度传感器

1．2．1 温度与温标

1．2．2 温度的测量

1．2．3 温度传感器的主要性能参数

1．3 MEMS技术

1．3．1 MEMS及其发展历史

1．3．2 MEMS的基本特征

1．3．3 MEMS的加工方法

1．3．4 MEMS的典型应用

1．4 微型温度传感器的研究进展

1．4．1 Pt热电阻式微型温度传感器

1．4．2 热电偶式微型温度传感器

1．4．3 热释电式微型温度传感器

1．4．4 PN结二极管、晶体三极管及集成IC式微型温度传感器

1．4．5 双金属片式微型温度传感器

1．4．6 级联三重梁电容式微型温度传感器

1．4．7 晶体谐振式微型温度传感器

1．4．8 几种微型温度传感器的比较

1．5 本论文的主要工作

1．5．1 前期研究基础

1．5．2 综合述评及本论文研究背景

1．5．3 本论文的主要内容

第二章 悬臂梁压阻式MEMS温度传感器工作机理

2．1 引言

2．2 悬臂梁压阻式MEMS温度传感器的结构描述

2．3 悬臂梁压阻式MEMS温度传感器的工作原理

2．3．1 温度应力及双金属效应

2．3．2 压阻材料的压阻效应

2．3．3 压阻式MEMS温度传感器输出电压与压阻元件所受应力之间的关系

2．4 本章小结

第三章 悬臂梁压阻式MEMS温度传感器输出特性及有限元分析

3．1 多层悬臂梁双金属效应及温度—应力分析模型

3．2 温度传感器的输出特性分析

3．3 温度传感器的输出特性模拟

3．4 温度传感器模型的有限元多元耦合分析与推广模型验证

3．4．1 有限元温度—应力／应变分析与推广模型验证

3．4．2 有限元温度—应力／应变—电场耦合分析与推广模型验证

3．5 本章小结

第四章 悬臂梁压阻式MEMS温度传感器的制备与测试

4．1 引言

4．2 压阻式MEMS温度传感器的制备

4．2．1 压阻式MEMS温度传感器加工工艺流程

4．2．2 悬臂梁压阻式MEMS温度传感器SEM图

4．2．3 划片、引线键合与封装

4．3 传感器特性测试

4．3．1 测试电路与测试系统

4．3．2 测试结果及分析

4．4 本章小结

第五章 高灵敏度post-CMOS MEMS电容式温度传感器

5．1 氧化石墨烯温度敏感材料

5．1．1 石墨烯应用概述

5．1．2 氧化石墨烯应用概述

5．2 氧化石墨烯电容式MEMS温度传感器结构设计

5．3 氧化石墨烯电容式MEMS温度传感器的制备

5．3．1 氧化石墨烯材料的制备

5．3．2 体硅MEMS电容极板的制备及氧化石墨烯敏感材料的MEMS后处理

5．4 测试方法及测试分析

5．4．1 测试方法

5．4．2 测试结果及分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士期间发表及待发表的论文和申请专利

致谢