基于MEMS技术制作MOSFET压力传感器研究

论文摘要

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。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 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
• -掺杂区的设计'>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 光刻工艺原理
• 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