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多晶硅納米薄膜E+E壓力傳感器設(shè)計
半導體E+E壓力傳感器在現(xiàn)代社會中具有廣泛的應用,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用,對已有半導體傳感器設(shè)計進行系統(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)計方法,采用常規(guī)工藝制作了傳感器芯片,測試結(jié)果表明達到設(shè)計目標。

多晶硅納米薄膜E+E壓力傳感器設(shè)計
用紅外熱成象技術(shù)測量應變式E+E壓力傳感器工作時的膜片溫度分布,以判斷由于電阻應變片工作時溫度變化對測量準確性的影響。測量中為獲得應變片的真實溫度,作了表面噴黑處理。對于實用的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行了測量,其結(jié)果表明:應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。通過利用激波管、正弦壓力發(fā)生器對E+E壓力傳感器動態(tài)性能參數(shù)的測試,比較3種不同類型和性能的E+E壓力傳感器的動態(tài)測試指標,進而闡述E+E壓力傳感器的動態(tài)性能對壓力測量的影響,并通過對測試數(shù)據(jù)的分析,給出在系統(tǒng)壓力測試時E+E壓力傳感器選取所應注意的事項和對技術(shù)參數(shù)的要求。據(jù)此可以確定對壓力測量準確度的影響。還用有限差分方法對E+E壓力傳感器膜片表面溫度作了數(shù)值分析計算。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)附近時具有顯著的隧道壓阻效應,表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅薄膜更*的壓阻特性,應變因子(GF)可達34,比普通多晶硅薄膜高20%以上:應變因子溫度系數(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數(shù)量級。這對發(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用價值。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彈性膜片尺寸以及應變電阻分布進行了優(yōu)化。為了實現(xiàn)溫度補償,在E+E壓力傳感器芯片上設(shè)計一個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
MEDICI軟件仿真結(jié)果表明所設(shè)計的肖特基二極管結(jié)溫度系數(shù)為-6.70mV/℃。依據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果試制了量程為1 MPa的E+E壓力傳感器芯片。測得傳感器靈敏度為10mV/MPa·V;零點溫度系數(shù)≤1×10~(-3) FS/℃;靈敏度溫度系數(shù)數(shù)值(電路補償前)≤|-1×10~(-3)| FS/℃;全精度≤0.24%FS。實驗結(jié)果說明PSNFE+E壓力傳感器工藝簡單、高溫特性好、靈敏度高,達到高精度等級。