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基于MEMS技术制作MOSFET压力传感器研究

作　者: 万灵
导　师: 温殿忠
学　校: 黑龙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: MOSFET压力传感器 MEMS技术 压阻效应 硅杯
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 394次
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内容摘要


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。

全文目录


中文摘要  2-3
Abstract  3-8
第1章 绪论  8-17
  1.1 引言  8-9
  1.2 半导体压阻效应的研究进展  9
  1.3 压阻式压力传感器的优越性  9-10
  1.4 压力传感器的发展趋势和发展动向  10-13
  1.5 压力传感器的最新成果  13-16
  1.6 本章小结  16-17
第2章 MOSFETs压力传感器的工作原理  17-29
  2.1 应力和应变  17
  2.2 压阻效应和压阻系数  17-19
  2.3 灵敏系数分析  19-20
  2.4 P-MOSFET工作原理  20-22
  2.5 MOSFETs压力传感器的调零问题  22-23
  2.6 MOSFETs压力传感器的灵敏度温度补偿  23-26
  2.7 MOSFETs压力传感器的输出  26-28
    2.7.1 恒压源供电  27
    2.7.2 恒流源供电  27-28
  2.8 本章小结  28-29
第3章 MOSFETs压力传感器的结构设计与分析  29-37
  3.1 敏感膜厚度  29
  3.2 MOSFETs沟道P~-掺杂区的设计  29-30
  3.3 P-MOSFETs沟道位置的确定  30-32
  3.4 应力计算  32-35
  3.5 满量程输出的理论计算  35-36
  3.6 本章小结  36-37
第4章 MOSFETs压力传感器的版图设计与制作工艺  37-49
  4.1 MOSFETs压力传感器版图设计  37-38
  4.2 MOSFETs压力传感器的制作工艺  38-48
    4.2.1 氧化工艺原理  39-40
    4.2.2 光刻工艺原理  40-42
    4.2.3 LPCVD  42-43
    4.2.4 离子注入  43-45
    4.2.5 蒸铝工艺  45-46
    4.2.6 ICP刻蚀  46-48
  4.3 MOSFET压力传感器的管芯照片和封装照片  48
  4.4 本章小结  48-49
第5章 MOSFETs压力传感器的仿真结果  49-52
  5.1 Tanner软件简介  49
  5.2 MOSFETs压力传感器的直流分析  49-50
  5.3 MOSFETs压力传感器的交流分析  50-51
  5.4 MOSFETs压力传感器的版图设计  51
  5.5 本章小结  51-52
第6章 MOSFETs压力传感器的实验结果与讨论  52-64
  6.1 P-MOSFET的实验结果与讨论  52-53
  6.2 室温下MOSFETs压力传感器的实验结果  53-54
  6.3 MOSFETs压力传感器的静态特性  54-60
    6.3.1 线性度  55-58
    6.3.2 迟滞  58
    6.3.3 重复性  58-59
    6.3.4 灵敏度  59-60
    6.3.5 精度  60
  6.4 MOSFETs压力传感器的温度特性  60-63
  6.5 本章小结  63-64
结论  64-66
参考文献  66-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  73-74

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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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