多晶硅纳米薄膜加速度传感器研究

论文摘要

传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志,它与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支柱。在各种传感器中,硅加速度传感器是应用最为广泛的一种。MEMS技术的发展为加速度传感器的发展提供了其它技术不可比拟的技术支撑。硅表面微加工加速度传感器也是MEMS的重要研究领域之一,在汽车系统、工业控制、环境监控和测量以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用。首先对加速度传感器的工作原理进行分析。以体积小、灵敏度高、可集成为设计目的,利用牺牲层技术制备加速度传感器力敏芯片。采用多晶硅为结构层,二氧化硅为牺牲层,HF溶液释放牺牲层。根据牺牲层结构特点,应用多晶硅纳米膜作为应变电阻。接着对传感器力敏芯片进行模拟与优化,计算出芯片的最优尺寸。根据模拟优化的结果设计芯片的工艺流程,介绍了其中的主要工艺,并针对其中存在的问题,分析其产生的机理,根据其产生机理提出相对应的解决方案。根据工艺流程设计出传感器的版图,对仿真结果进行数据分析,最后总结全文得到结论传感器的灵敏度大于0.4mv/g,一阶频率响应大于3千赫兹。本文对牺牲层加速度传感器的研究,对于MEMS传感器未来的设计与加工具有一定参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景与目的
• 1.2 加速度传感器研究现状
• 1.2.1 压阻式硅微型加速度传感器
• 1.2.2 电容式硅微型加速度传感器
• 1.2.3 隧道式硅微型加速度传感器
• 第二章 多晶硅纳米薄膜压阻效应
• 2.1 半导体的压阻效应
• 2.1.1 压阻效应
• 2.1.2 压阻系数
• 2.2 多晶硅纳米薄膜压阻特性
• 2.2.1 现有压阻理论的局限性
• 2.2.2 多晶硅的隧道压阻效应
• 2.2.3 掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜压阻特性的影响
• 2.2.4 不同温度对多晶硅纳米薄膜压阻特性的影响
• 第三章 压阻式加速度传感器结构设计
• 3.1 弹性元件的结构方案
• 3.1.1 同侧双臂梁结构
• 3.1.2 异侧双臂结构
• 3.1.3 四梁固支梁结构
• 3.1.4 三种结构的灵敏度和频率分析
• 3.2 结构尺寸设计
• 3.2.1 梁的宽度变化对最大应变值的影响
• 3.2.2 梁的长度变化对最大应变值的影响
• 3.2.3 质量块的长度变化对最大应变值的影响
• 3.2.4 厚度变化对最大应变值的影响
• 3.2.5 传感器的的结构尺寸选取
• 第四章 压阻元件的设计
• 4.1 压阻条的参数及结构
• 4.2 压阻电桥的位置布置及输出灵敏度
• 第五章 传感器工艺
• 5.1 传感器工艺流程
• 5.2 薄膜淀积工艺
• 5.2.1 物理气相淀积
• 5.2.2 化学气相淀积
• 5.3 图形制作工艺
• 5.3.1 掩模制作
• 5.3.2 涂胶及前烘
• 5.3.3 曝光及曝光后处理
• 5.3.4 显影
• 5.3.5 显影后处理
• 5.3.6 光刻工艺流程
• 第六章 仿真结果分析
• 6.1 约束条件
• 6.2 传感器的量程和抗过载能力
• 6.3 横向灵敏度
• 6.4 灵敏度及频率分析
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录 A 加速度传感器结构芯片版图
• 在学研究成果
• 致谢