多晶硅納米薄膜E+E壓力傳感器設計
半導體E+E壓力傳感器在現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計進行系統研究,充分利用材料的壓阻特性,給出了PSNFE+E壓力傳感器設計方法,采用常規工藝制作了傳感器芯片,測試結果表明達到設計目標。

多晶硅納米薄膜E+E壓力傳感器設計
用紅外熱成象技術測量應變式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(空氣和變壓器油)及工作電壓條件下進行了測量,其結果表明:應變片表面溫度隨工作電壓增高而加大,且不均勻。以空氣為介質的溫度高于以變壓器油為介質的溫度。通過利用激波管、正弦壓力發生器對E+E壓力傳感器動態性能參數的測試,比較3種不同類型和性能的E+E壓力傳感器的動態測試指標,進而闡述E+E壓力傳感器的動態性能對壓力測量的影響,并通過對測試數據的分析,給出在系統壓力測試時E+E壓力傳感器選取所應注意的事項和對技術參數的要求。據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,表現出比常規多晶硅薄膜更*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(TCGF)可小于1×10~(-3)/℃,比普通薄膜小一倍以上;電阻溫度系數(TCR)可小于1×10~(-1)/℃,幾乎比普通薄膜小一個數量級。這對發展高靈敏、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PSNF壓阻特性和硅杯腐蝕技術條件確定彈性膜片結構,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化。為了實現溫度補償,在E+E壓力傳感器芯片上設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壓力傳感器設計
MEDICI軟件仿真結果表明所設計的肖特基二極管結溫度系數為-6.70mV/℃。依據優化設計結果試制了量程為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≤1×10~(-3) FS/℃;靈敏度溫度系數數值(電路補償前)≤|-1×10~(-3)| FS/℃;全精度≤0.24%FS。實驗結果說明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。