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多晶硅納米薄膜E+E壓力傳感器設(shè)計(jì)
半導(dǎo)體E+E壓力傳感器在現(xiàn)代社會(huì)中具有廣泛的應(yīng)用,采用新材料是提高傳感器性能的有效途徑。研究結(jié)果表明多晶硅納米薄膜(PSNF)具有比普通多晶硅薄膜更為*的壓阻特性。為使這種薄膜在傳感器上得到有效應(yīng)用,對(duì)已有半導(dǎo)體傳感器設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研究,充分利用材料的壓阻特性,給出了PSNFE+E壓力傳感器設(shè)計(jì)方法,采用常規(guī)工藝制作了傳感器芯片,測(cè)試結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

多晶硅納米薄膜E+E壓力傳感器設(shè)計(jì)
用紅外熱成象技術(shù)測(cè)量應(yīng)變式E+E壓力傳感器工作時(shí)的膜片溫度分布,以判斷由于電阻應(yīng)變片工作時(shí)溫度變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。測(cè)量中為獲得應(yīng)變片的真實(shí)溫度,作了表面噴黑處理。對(duì)于實(shí)用的3MPa和0.6MPa的E+E壓力傳感器,在不同工作介質(zhì)(空氣和變壓器油)及工作電壓條件下進(jìn)行了測(cè)量,其結(jié)果表明:應(yīng)變片表面溫度隨工作電壓增高而加大,且不均勻。以空氣為介質(zhì)的溫度高于以變壓器油為介質(zhì)的溫度。通過(guò)利用激波管、正弦壓力發(fā)生器對(duì)E+E壓力傳感器動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的測(cè)試,比較3種不同類(lèi)型和性能的E+E壓力傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試指標(biāo),進(jìn)而闡述E+E壓力傳感器的動(dòng)態(tài)性能對(duì)壓力測(cè)量的影響,并通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析,給出在系統(tǒng)壓力測(cè)試時(shí)E+E壓力傳感器選取所應(yīng)注意的事項(xiàng)和對(duì)技術(shù)參數(shù)的要求。據(jù)此可以確定對(duì)壓力測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。還用有限差分方法對(duì)E+E壓力傳感器膜片表面溫度作了數(shù)值分析計(jì)算。PSNF是膜厚接近或小于100nm的多晶硅薄膜,在摻雜濃度為3×10~(20) cm~(-3)附近時(shí)具有顯著的隧道壓阻效應(yīng),表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅薄膜更*的壓阻特性,應(yīng)變因子(GF)可達(dá)34,比普通多晶硅薄膜高20%以上:應(yīng)變因子溫度系數(shù)(TCGF)可小于1×10~(-3)/℃,比普通薄膜小一倍以上;電阻溫度系數(shù)(TCR)可小于1×10~(-1)/℃,幾乎比普通薄膜小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這對(duì)發(fā)展高靈敏、低溫漂、寬工作溫度范圍的低成本E+E壓力傳感器具有重要的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)PSNF壓阻特性和硅杯腐蝕技術(shù)條件確定彈性膜片結(jié)構(gòu),并采用有限元分析方法對(duì)彈性膜片尺寸以及應(yīng)變電阻分布進(jìn)行了優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,在E+E壓力傳感器芯片上設(shè)計(jì)一個(gè)肖特基二極管作溫度傳感器,并使其不增加E+E壓力傳感器工藝步驟。

多晶硅納米薄膜E+E壓力傳感器設(shè)計(jì)
MEDICI軟件仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的肖特基二極管結(jié)溫度系數(shù)為-6.70mV/℃。依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果試制了量程為1 MPa的E+E壓力傳感器芯片。測(cè)得傳感器靈敏度為10mV/MPa·V;零點(diǎn)溫度系數(shù)≤1×10~(-3) FS/℃;靈敏度溫度系數(shù)數(shù)值(電路補(bǔ)償前)≤|-1×10~(-3)| FS/℃;全精度≤0.24%FS。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明PSNFE+E壓力傳感器工藝簡(jiǎn)單、高溫特性好、靈敏度高,達(dá)到高精度等級(jí)。