MOSFETs力/磁传感器集成化研究

论文摘要

多功能集成传感器以其体积小、重量轻及集成一体化等诸多优点具有广阔应用领域。本文采用MEMS工艺技术在n型单晶硅片上腐蚀硅杯,再利用CMOS工艺技术在硅膜上的最大应力区范围内制作四个沟道互相平行的MOSFET,其中两个P-MOSFET置于硅敏感膜的径向位置,而另外两个P-MOSFET置于硅敏感膜的横向位置,将这四个P-MOSFET集成在一个管芯上组成惠斯通电桥,当硅敏感膜受压力时,硅膜发生微小变形,两个径向的P-MOSFET沟道等效电阻阻值增大,两个横向P-MOSFET沟道等效电阻阻值减小,惠斯通电桥产生力敏输出。在距离源极0.7个沟道长度的位置引出霍尔输出电极,对单一MOSFET霍尔器件来说,在垂直磁场作用下,沟道空穴在洛仑兹力作用下发生偏转,霍尔输出极产生霍尔输出电压VH,霍尔输出电压随磁感应强度改变而发生改变,实现对磁场的测量。本文介绍了MOSFETs力/磁传感器基本工作原理,并阐述了MOSFETs力/磁传感器的结构设计和制作工艺。在对MOSFETs力/磁传感器的I-V特性、温度特性进行了测试的基础上计算分析线性度、迟滞、重复性、灵敏度和精度等静态特性。实验结果表明,MOSFETs力/磁传感器的力敏灵敏度为11.5mV/100KPa,力敏线性度为1.36%F·S,力敏重复性为1.31%F·S,力敏迟滞为0.68%F·S,力敏精度为3.5%F·S;磁敏灵敏度为5.06mV/T,磁敏线性度为0.02%F·S,磁敏迟滞为1.01%F·S,磁敏重复性为1.48%F·S,磁敏精度为1.8%F·S,均符合设计要求。国内外对于压/磁多功能传感器的集成一体化研究尚未见文献报道。本文针对压力传感器与磁传感器集成一体化进行实验研究,研究结果表明本文设计的MOSFETs力/磁传感器技术方案是可行的且有广泛的应用领域。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 MOSFETS 力/磁传感器的技术基础
• 1.2.1 MEMS 技术的基本概念
• 1.2.2 MEMS 技术的基本特点
• 1.2.3 MEMS 技术的加工工艺
• 1.3 压力传感器研究现状及发展趋势
• 1.3.1 压力传感器研究进展
• 1.3.2 压力传感器发展趋势和发展动向
• 1.4 霍尔传感器研究现状及发展趋势
• 1.4.1 霍尔传感器研究进展
• 1.4.2 霍尔传感器发展趋势和发展动向
• 1.5 多功能传感器研究现状及发展趋势
• 1.6 本章小结
• 第2章 MOSFETS 力/磁传感器的基本结构、工作原理
• 2.1 MOSFETS 力/磁传感器版图设计
• 2.2 MOSFET 的工作原理
• 2.3 MOSFETS 压力传感器基本工作原理
• 2.3.1 应力及应变
• 2.3.2 压阻效应和压阻系数
• 2.4 MOSFETS 磁传感器基本工作原理
• 2.4.1 霍尔效应
• 2.4.2 霍尔元件及其效率
• 2.4.3 霍尔元件的设计
• 2.4.4 MOS 霍尔器件工作原理
• 2.4.5 MOSFET 霍尔器件的电磁特性
• 2.4.6 MOSFET 霍尔器件的温度特性
• 第3章 MOSFETS 力/磁传感器的工艺原理与制作
• 3.1 MOSFETS 力/磁传感器的主要工艺原理
• 3.1.1 氧化工艺原理
• 3.1.2 光刻工艺原理
• 3.1.3 离子注入工艺
• 3.1.4 LPCVD 工艺
• 3.1.5 蒸铝工艺
• 3.1.6 ICP 刻蚀工艺原理
• 3.2 MOSFETS 力/磁传感器的制作工艺流程
• 3.3 小结
• 第4章 MOSFETS 力/磁传感器实验结果及分析
• 4.1 MOSFETS 力/磁传感器主要技术参数
• 4.1.1 线性度
• 4.1.2 灵敏度
• 4.1.3 重复性
• 4.1.4 迟滞
• 4.1.5 传感器的综合精度
• 4.2 MOSFETS 特性测试
• 4.2.1 MOSFETs I-V 特性
• 4.2.2 MOSFETs 温度特性
• 4.3 MOSFETS 压力传感器实验结果
• 4.3.1 MOSFETs 压力传感器输出特性
• 4.3.2 MOSFETs 压力传感器静态特性计算
• 4.4 MOSFETS 磁传感器实验结果
• 4.4.1 MOSFETs 磁传感器输出特性
• 4.4.2 MOSFETs 磁传感器静态特性计算
• 4.5 MOSFETS 力/磁传感器输出特性
• 4.6 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