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基于微机电系统的硅压力传感器性能改进研究

作　者: 王大军
导　师: 李淮江
学　校: 淮北师范大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 压阻式压力传感器 力敏电阻 芯片设计
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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。随着现代科学技术,特别是微电子技术和信息产业技术的发展,以及电脑的普及,传感器在新的技术革命中的地位和作用将更加突出,一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。在各种传感器中,基于MEMS(Micro Electronic Mechanism System)的硅压力传感器是应用最为广泛的一种。我国的传感器产业与世界存在巨大差距,目前的传感器技术难以完全满足国家需求,传感器技术面临技术落后瓶颈,需新的突破。本文首先对硅压阻式压力传感器的工作原理进行分析,接着从传感器的衬底制备,压力传感器敏感管芯制备的扩散,氧化,光刻入手,选择合适的工艺与工艺参数,以期减少传感器的非线性,降低其温漂与零漂,改善其性能。通过对方形、矩形和圆形膜片的最大应力、挠度以及膜片长宽比对输出的影响,选择了方形敏感薄膜;对于压敏电阻条的设计主要从掺杂类型,掺杂浓度,结深及压敏电阻的最大功率确定其长度、宽度、折数;从压敏电阻灵敏度与应力大小的关系确定了敏感电阻在敏感薄膜上的位置为重点,阐述了半导体硅压阻式压力传感器敏感结构的设计要点。在最大应力区,相对于以前压敏电阻两段式的设计,本文中主要采用了三段式开环设计。最后,对于设计芯片通过计算,仿真加以验证敏感电阻条位置的正确性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-12
  1.1 社会对传感器需求的新动向  9
  1.2 传感器开发研究的重要意义  9-10
  1.3 传感器技术面临技术落后瓶颈，需新的突破  10
  1.4 本研究课题的主要内容及方法  10-12
第二章 传感器的分类及压阻式传感器的原理  12-19
  2.1 传感器  12-14
    2.1.1 传感器的定义  12
    2.1.2 传感器的主要分类方法  12-13
    2.1.3 压阻式传感器的能带理论  13
    2.1.4 硅压力传感器  13-14
  2.2 压力传感器的原理  14-18
    2.2.1 压阻效应  14-16
    2.2.2 压力传感器的工作原理  16-17
    2.2.3 压力传感器的结构  17-18
  2.3 本章小结  18-19
第三章 前道工序中几个的基本工艺  19-34
  3.1 硅晶片的选用  19-21
    3.1.1 硅压力传感器衬底制备的相关问题  19
    3.1.2 单晶硅片的选用及抛光  19-20
    3.1.3 衬底的清洗  20-21
  3.2 氧化薄膜的制备  21-25
    3.2.1 干氧氧化的原理  21-22
    3.2.2 水汽氧化的原理  22-24
    3.2.3 氧化层与时间的关系  24-25
    3.2.4 氧化薄膜的制备中氧化实验数据  25
  3.3 扩散  25-30
    3.3.1 扩散方程  25-28
    3.3.2 杂质源与扩散方法  28-30
    3.3.3 扩散中的部分实验数据  30
  3.4 光刻  30-33
    3.4.1 光刻胶  30-31
    3.4.2 光刻工艺过程  31-33
  3.5 本章小结  33-34
第四章 敏感薄膜的制备  34-41
  4.1 圆形，矩形，和正方形薄膜的比较与选用  34-35
  4.2 体腔刻蚀  35-38
    4.2.1 Si 体腔的刻蚀—敏感膜的制作的化学机理  35
    4.2.2 Si 体腔的刻蚀影响腐蚀速率的因素  35-37
    4.2.3 阳极腐蚀法  37
    4.2.4 凸角腐蚀及其补偿  37-38
  4.3 体腔刻蚀  38-40
    4.3.1 体腔刻蚀  38-40
    4.3.2 硅杯压力腔掩膜尺寸的设计  40
  4.4 本章小结  40-41
第五章 压敏电阻条的设计  41-47
  5.1 设计时需要考虑的有关问题  41-42
  5.2 电阻的参数及结构  42-43
    5.2.1 敏感电阻RO 的值  42
    5.2.2 力敏电阻的宽度  42-43
    5.2.3 敏感电阻条的长度L  43
  5.3 基本参数  43-46
    5.3.1 方形膜片应变规律及力敏电阻在敏感膜片上的位置确定  44-46
  5.4 本章小结  46-47
第六章 计算与仿真  47-52
  6.1 平膜应力  47-49
    6.1.1 平膜结构的应力  47-48
    6.1.2 方形膜的最大挠度与最大应力位置  48-49
  6.2 方形膜的最大挠度与最大应力计算与仿真  49-50
  6.3 本章小结  50-52
第七章 总结及展望  52-53
  7.1 总结  52
  7.2 展望  52-53
参考文献  53-56
攻读硕士学位期间出版或发表的论著、论文  56-57
致谢  57

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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