（机械制造及其自动化专业论文）纳米硅超微压力传感器设计研究.pdf

了 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：吨品司 力1 1 年j 月扣e l 指导教师签名： c ；z o , 年岁月纱日 1，i 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着微机电系统的迅速发展，压阻式压力传感器的 应用范围日益广泛。在工业自控、环保设备和医疗仪器等领域均对超微小压力的 测量提出了迫切需求，超微压压力传感器的研究和开发具有重要意义和明显价 值。 压阻式压力传感器要实现超微压测量，关键技术是要提高传感器的灵敏度。 提高压阻式传感器灵敏度一般有两种途径：一种是采用具有高应变系数的材料作 为敏感元件；另一种途径便是采用合理的传感器芯片结构，特别是对于m e m s 压 阻式压力传感器，不同的传感器芯片结构在相同的压力下产生应力应变分布有显 著的差别。 氢化纳米硅( n c - s i ：h ) 是一种新型的半导体薄膜材料，它由各占薄膜体积百 分比约5 0 的细微硅晶粒( 晶粒尺寸2 一l o n m ) 和无序晶界界面组成，界面区厚度约 为2 4 个原子层厚。纳米硅薄膜的压阻系数明显高于微晶硅和多晶硅的压阻系数， 在一定晶态比条件下，可超过单晶硅压阻系数。 本文利用纳米硅薄膜良好的压阻特性，将其作为超微压压力传感器的敏感材 料，并提出一种新型传感器芯片结构，设计出l o o p a 量程超微压压力传感器，为 设计超微压力传感器提供参考。 首先用弹性力学和板壳理论对传感器芯片结构进行相关分析，为力敏电阻在 应变膜上的布置提供理论基础。研究发现，岛梁结构综合了平膜、梁膜、岛膜的 优点，既保持了梁膜结构灵敏度高的优点，又吸收了平膜结构线性度好的优点。 岛与梁的结合，起到应力集中的效果，提高了传感器的灵敏度和线性度。 其次，本文创新性地提出一种芯片结构：四岛梁一膜复合型结构。通过分 析发现，本文设计的结构比双岛梁_ 膜型结构具有更好的灵敏度、线性度和抗 过载能力，更加适合作为超微压压力传感器芯片使用。 再次，本文采用有限元方法研究了四岛梁一膜芯片结构膜片上感受到的应 变应力分布情况，进而找到应变应力最大值所在位置，实现电阻条的最佳放置。 分析弹性膜片对器件性能的影响规律，进一步对传感器结构进行优化。通过研究 发现：在四岛梁一膜芯片上表面的中央及两边凸型梁处应力达到极值，中央应 纳米硅超微压力传感器设计研究 为负、边缘应力值为正，且其绝对值大致相等。电阻放在凸梁处，构成的惠 全桥输出最大，从而灵敏度达到最优。这种结构特别适用于超微压压力传感 然后，对传感器的几种芯片结构从静态、动态及参数化等方面进行详细的分 究。运用电学理论，对传感器的供电电路、力敏电阻进行对比分析和相关计 最后，对四岛梁膜芯片中的应力匀散结构、双层岛限位结构、腐蚀中的掩膜 尺寸及对传感器芯片制作工艺进行详细的设计研究。 词：氢化纳米硅薄膜：超微压力传感器；有限元方法；结构及工艺设计；参 数分析。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e1 9 9 0 s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm e m s ，t h ep i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r e s e n s o r sh a v e b e e na p p l i e di nm o r ea n dm o r ef i e l d s t h em e a s u r e m e n to fu l t r am i c r o p r e s s u r ei ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s ，e n v i r o n m e n te q u i p m e n t sa n dm e d i c a li n s t r | i m e n t si si nu r g e n td e m a n d s i ti so fs i g n i f i c a n c et os t u d ya n dd e v e l o pt h eu l t r am i c r o p r e s s u r es e n s o r t h ek e yt e c h n o l o g yo fm e a s u r i n gu l t r am i c r op r e s s u r ei st o i m p r o v e t h e s e n s i t i v i t ) ro fs e n s o li no r d e rt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t y , t w om e t h o d sa r ea l w a y s c a r d e do u t f i r s t l y , t h ee l a s t i cs e n s i t i v ee l e m e n ts h o u l db em a n u f a c t u r e dw i t hh i 曲 s e n s i t i v em a t e r i a l s e c o n d l y , t h ep r o p e rs e n s o rc h i ps t r u c t u r es h o u l db ea d o p t e d , e s p e c i a l l yf o rm e m sp i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r u n d e rt h es a m eo u t s i d ep r e s s u r e ， d i f f e r e n ts e n s o r c h i p s t r u c t u r e sh a v eo b v i o u sd i f f e r e n c e si ns t r e s sa n ds t r a i n d i s t r i b u t i o na s p e c t s h y d r o g e n a t e dn a n o c r y s t a l l i n e s i l i c o n f i l m s ( n c - s i ：h ) i s an e wk i n do f s e m i c o n d u c t o r st h i nf i l m sm a t e r i a l s v v h e nt h ev o l l a n ep e r c e n to f s l i g h ts i l i c o nc r y s t a l i sa b o u t5 0 i nt h em e m b r a n e ，t h es i z eo fs i l i c o nc r y s t a li s2 - 1 0h i l l d i s o r d e rs i l i c o n c r y s t a li n t e r f a c e sa n ds i l i c o nc r y s t a lc o m p o s en a n o c r y s t a l l i n es i l i c o nf i l m s t h e t h i c k n e s so ft h es i l i c o n c r y s t a l i n t e r f a c e si sa b o u t2 - 4a t o m i cl a y e r t h e p i e z o r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fh y d r o g e n a t e dn a n o c r y s t a l l i n es i l i c o nf i l m si so b v i o u s l y h i g h e rt h a nt h a to fm i c r o c r y s t a l l i n es i l i c o nf i l m sa n dp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nf i l m s d u et ot h ep e r f e c tp i e z o r e s i s t a n c ee f f e c to fn a n o c r y s t a l l i n es i l i c o n ，i tc a l lb eu s e d a st h es e n s i t i v em a t e r i a lf o ru l t mm i c r op r e s s u r es e n s o lan e wk i n do fs e n s o rc h i p s t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sc a l l e da sf o u ri s l a n d - b e a m m e m b r a n ec h i p s t r u c t u r e t h el o o p ar a n g eo fu l t r am i c r op r e s s u r es e n s o ri sd e s i g n e db yu s eo ft h i s s t r u c t u r ew h i c hp r o v e san e wd i r e c t i o nf o rd e s i g n i n gu l t r am i c r op r e s s u r es e n s o r f i r s to fa l l ，s o m er e l e v a n tt h e o r e t i c a la n a l y s i si sc a r r i e do u ta b o u tt h es e n s o rc h i p b yt h et h e o r yo fe l a s t i cm e c h a n i c sa n dc l a s s i c a lp l a t et h e o r yi nt h i sp a p e r t h ea n a l y s i s p r o v e st h e o r e t i c a lb a s i s f o rp l a c i n gs e n s i t i v er e s i s t o r so nt h es t r a i nm e m b r a n e t h r o u g ha n a l y s i s ，t h i sp a p e rf i n dt h a tt h ei s l a n db e a ms t r u c t u r em a k e sf u l lu s eo ft h e a d v a n t a g e s o ff l a tm e m b r a n es t r u c t u r e ，b e a mm e m b r a n es t r u c t u r ea n di s l a n d m e m b r a n es t r u c t u r e t h i ss t r u c t u r em a i n t a i n st h ea d v a n t a g e so fh i 曲s e n s i t i v i t yo f b e a ms t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，t h es t r u c t u r ea s s i m i l a t e st h ea d v a n t a g eo f9 0 0 d m k e yw o r d s ：h y d r o g e n a t e dn a n o c r y s t a l l i n es i l i c o nf i l m s ；u l t r am i c r op r e s s u r e s e n s o r ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t r u c t u r ea n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s d e s i g n ；p a r a m e t e ra n a l y s i s i v 江苏大学硕士学位论文 第一章引言 目录 l 1 1m e m s 相关介绍1 1 2 压阻式压力传感器2 1 2 1国内外研究现状以及研究的目的和意义2 1 2 2 国内外研究趋势4 1 3 本论文的研究内容4 第二章压阻式压力传感器基础理论及分析 7 2 1 半导体的压阻效应7 2 2 半导体的压阻系数9 2 3 压阻式硅微压力传感器工作原理。1 2 2 4 压阻式微压力传感器性能分析1 3 2 4 1 压阻式微压力传感器优点1 3 2 4 2 压阻式微压力传感器缺点1 3 2 5 压阻式硅微压力传感器微压化。1 4 2 6 传感器敏感材料的选择1 5 2 6 1 单晶硅和多晶硅材料1 5 2 6 2 纳米硅敏感材料。1 6 2 7 本章小结1 7 第三章传感器芯片静力学分析及有限元仿真 1 8 3 1 引言1 8 3 2 平膜结构1 8 3 2 1 小挠度理论分析。1 9 3 2 2 大挠度理论分析2 1 3 2 3 小挠度有限元分析2 2 3 2 4 大挠度有限元分析2 6 3 3 双岛平膜结构分析2 9 3 3 1 双岛平膜理论分析2 9 3 3 2 双岛平膜芯片结构有限元分析3 2 3 4 双岛梁结构。3 3 3 5 四岛梁结构3 6 3 6 本章小结3 8 第四章传感器芯片参数分析 3 9 v 器设计研究 3 9 3 9 4 0 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 9 4 9 ! ；( 1 ! ；】l ! ；3 ! ；：； ! ；! ； 5 6 5 4 1 恒压源供电5 6 5 4 2 恒流源供电。5 8 5 5 电阻条设计5 9 5 5 1 力敏电阻的阻值5 9 5 5 2 力敏电阻的条宽5 9 5 5 3 力敏电阻的长度6 0 5 6 压阻系数的合理选择6 0 5 7 本章小结6 1 第六章传感器特性分析及制作工艺 6 1 弓i 言6 ：1 6 2 传感器静态特性指标6 2 6 2 1 线性度6 2 6 2 2 灵敏度6 3 6 2 3 j 匠滞f ；：； 6 2 4 重复性6 3 6 3 应力匀散结构6 4 致谢 攻读硕士期间发表的学术论文及申请专利 7 8 7 9 v 江苏大学硕士学位论文 1 1m e m s 相关介绍 第一章引言 微机电系统【1 。3 1 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是一种全新的、须 同时考虑多种物理场共同作用的微型机械电子系统。其相对于传统的机械，它们 的尺寸更小，其相应器件大小一般不超过一厘米，甚至仅仅几微米，其厚度更小。 m e m s 器件通常采用硅作为主材料，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当， 密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路( i c ) 类似的制作工艺， 进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械制造技术大幅度提高。 m e m s 主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部 分，它是融合了多种微细加工技术，并应用现代信息技术的高科技前沿学科。 完整的m e m s 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口 和电源等部件组成的一体化微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行 集成在一起，集成于大尺寸系统中，组成具有多功能的微型系统，从而大幅度地 提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 m e m s 给人类社会带来一次技术革命，它将对2 1 世纪的科学技术、生产方 式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣 的一项关键技术。 m e m s 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用m e m s 技术制 作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力 电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接 触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。m e m s 技术正发展成为一个巨 大的产业，就象近2 0 年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样， m e m s 正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。m e m s 对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇 和严峻的挑战。 纳米硅超微压力传感器设计研究 1 9 8 8 年，美国一批著名科学家提出“小机器、大机遇”，并呼吁：美国应当 一重大领域发展中走在世界的前列【4 】。1 9 9 3 年，美国a d i 公司采用该技术 地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着m e m s 商品化的开端。2 0 世纪9 0 年代，发达国家先后投巨资并设立国家重大项目 其发展。此后，m e m s 技术发展迅速，特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕 术发展了多种新型加工工艺。最近，美国朗讯公司开发的基于m e m s 光开 路由器已经试用，预示着m e m s 发展又一高潮的来临。目前部分器件已经 了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件( d m d ) 、喷 印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛。 微机电系统涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学 技术，作为一个多学科交叉的前沿研究领域，具有如下特点1 5 q ： ( 1 ) 以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与 当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨； ( 2 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型 装置或完整的m e m s 器件，批量生产可大大降低生产成本。 ( 3 ) 集成化：可以把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微 器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的m e m s 压阻式压力传感器 国内外研究现状以及研究的目的和意义 压阻式压力传感器是6 0 年代初问世的，至今已有5 0 年左右的历史。压阻式 压力传感器用硅的力敏电阻取代金属应变电阻作为敏感元件，由于硅有显著的压 阻效应，因此可使灵敏度提高几十倍。压阻式压力传感器还有一个更重要的特点， 那就是弹性体也是用硅材料做成的，实现了敏感元件与弹性体的一体化，有利于 提高传感器稳定性和批量加工。因此，多年来压阻式压力传感器的发展也就是围 绕着这两个方面进行的。一方面是将力敏电阻做得更精确更稳定，另一方面是对 硅弹性体的结构和加工技术进行改进。这两者中，前者可以借用许多大规模集成 电路的现成技术，如离子注入、优质材料、精细光刻、钝化等技术。因此，后者 2 江苏大学硕士学位论文 就成了压阻式压力传感器技术发展的焦点。为了做好硅的弹性体结构，发展了硅 各向异性腐蚀、腐蚀的自动终止、硅一玻璃的静电键合及硅一硅键合等微机械加 工技术等。这些技术的发展和应用使压力传感器实现了高性能与批量生产，使压 阻式压力传感器成了压力传感器的主要品种。 我国对传感器的研究尚处于比较落后的状态【7 】，尤其是高精度压力传感器。 虽说生产厂家已达1 3 0 0 多家，但产品种类仅有3 0 0 余种( 大约为传感器种类的七 分之一) ，年产量一亿多只，仅满足国内需求的2 0 - 3 0 。我国对传感器的研 究已经有三十年左右的历史，取得了很大的成就，目前传感器技术也越来越得到 各方面的重视，在某些方面赶上或接近世界先进水平。但从总体上看，我国传感 器技术的研究和生产还比较落后。由于众多厂家规模小，设备落后，国家投入的 资金不足且比较分散。因而与世界上大的传感器厂家相比，科研水平落后5 1 0 年，而生产水平落后1 0 , - 一2 0 年。与世界上传感器更新换代的速度相比，落后几 个周期，从而导致品种不全，产量过低。因而开发和研制高精度压力传感器具有 广泛的应用前景和社会效益。 国外发展传感器主要由两条不同的途径嘲：一是以美国为代表的先军工后民 用，先提高后普及的高精尖路子。这种途径的主要特点是：能在较长的时间里保 持传感器技术研究的世界领先地位，保持军事科学的领先水平。但资金投入巨大， 经济回收比较慢，是发展中国家不宜采用的途径。二是以日本为代表的先普及后 提高，由仿制到自行设计和创新的路子。这一途径的主要特点是：能把有效的资 金投入到跟踪国际先进技术上，少走弯路。在较短的时间里形成大规模生产，并 迅速占领市场，较快地收到经济效益。正是这样，日本的传感器技术发展很快， 迅速进入世界前列，这是众多国家应采取的有效途径。比如，六维力传感器的研 究和应用是多微力传感器研究的热点，截止目前，只有少数国家能够生产。 我国在1 9 9 0 年由中科院合肥智能所等单位研制成功的s a f m s 型系列六维 力传感器，其主要性能达到国际水平。1 9 9 0 年日本的铃木等人研制成功的6 4 6 4 元半导体压容触觉阵列空间，分辨力达到0 2 5 m m ，阵列密度1 6 0 0 t a c t e l s t i n 2 。 北京理工大学在跟踪国外发展的基础上，又改进创新研制了组合有压电层的柔性 光学阵列触觉，阵列密度为2 4 3 8 t a c t e l s c m 2 ，力灵敏1 9 ，结构柔性很好，能识别 钢球和鸡蛋，并且获得硬币的触觉图像比人更胜一筹，已用于机器人分选物品。 压力传感器技术已经发展到比较高的水平，并且更新换代的速度很快。而我 3 微压压力测量的传感器芯片，并进行电阻放置位置的合理选择；二是进行电路及 加工工艺设计；三是温度补偿电路的设计。其中确定力敏电阻在应力膜片上的准 确位置是设计的难点之一。本文将微型压力传感器应变膜表面应力分布作为研究 的中心之一。围绕这一中心，本文首先用弹性力学和板壳理论分析传感器应变膜 的应力分布，为力敏电阻在应变膜上的布置提供理论依据；其次用有限元分析方 法，并借助仿真软件，对微型压力传感器芯片结构和参数进行了一系列的分析计 算和模拟，探讨了应变膜表面应力分布以及芯片尺寸参数对于应力应变分布的影 4 江苏大学硕士学位论文 响规律，得到了直观可靠的结果；然后运用软件从模态分析、谐响应分析等动力 学方面对传感器弹性元件的动态特性指标进行了研究；并对传感器加工工艺进行 详细的设计。 本论文内容主要分为七大部分，分别如下： 第一章为引言部分。介绍m e m s 相关研究背景；阐述压阻式压力传感器的 国内外研究现状、研究目的意义及国内外研究趋势；并对本论文组织结构作简单 介绍。 第二章为基础理论部分。对半导体的压阻效应、半导体的压阻系数进行系统 地阐述；对压阻式硅微压力传感器工作原理进行介绍，分析了其工作性能和微压 化；提出一种新型传感器芯片结构：四岛梁膜芯片结构；最后对传感器力敏材料 的选择进行类比分析，并提出采用纳米硅作为敏感材料的方案，为传感器的微压 化指引一条新的研究思路。 第三章为静力学分析及仿真部分。对传感器多种芯片结构进行相关的理论分 析，分析得知方形和圆形两种形状芯片的大挠度变形和小挠度变形下的应力和应 变的表达式；并对双岛型芯片进行理论探究；之后，用有限元分析软件a n s y s 对 几种芯片结构进行相关分析，又对三种平膜结构( 方形、圆形和矩形芯片) 进行 对比研究；对双岛平膜、双岛梁膜结构进行仿真；最后，对四岛梁膜结构进行分 析。 第四章为参数化分析部分。对传感器芯片结构的多个参数进行详细的分析和 研究，为传感器芯片结构的设计提供重要的科学依据。分别对芯片的长宽比、膜 片厚度、宽梁膜片尺寸、背部四岛位置放置、大小岛高度、沟槽宽度、芯片在工 作压力和过载压力下的线性度等性能进行相关分析。 第五章为动力学分析及电学设计部分。对传感器的动态性能进行分析，通过 模态分析，得到其固有频率及振动模态图形；之后，对结构进行谐响应分析；对 传感器的两种供电电路进行详细的研究；最后，对惠斯通电桥所用的力敏电阻长 度、宽度和阻值大小进行计算。 第六章为特性分析及工艺部分。对传感器静态特性及温度特性进行相关研 究，对灵敏度、线性度、迟滞和重复性等静态特性进行论述和分析；对四岛梁膜 芯片中的应力匀散结构和双层岛限位结构进行介绍；并对腐蚀中的掩膜窗口进行 设计；最后，对传感器芯片制作工艺进行详细的设计。 5 纳米硅超微压力传感器设计研究 第七章为总结与展望部分。对量程为l o o p a 的超微压压阻式压力传感器展开 的多方面研究内容进行总结，并对下一步的工作进行相应的展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章压阻式压力传感器基础理论及分析 2 1 半导体的压阻效应 半导体的压阻效应【9 1 ，是指当半导体材料受到拉力( 或压力) 的作用时，由 于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生比较大变化的现象。半导体的压阻效应 c h a r l e ss m i t h 在1 9 5 4 年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。压阻 效应的强弱可以用压阻系数来表征。压阻系数被定义为单位应力作用下电阻 率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向 通过电流，其电阻率变化不相同。譬如：在室温下测定n 型硅，沿( 1 0 0 ) 晶向 施加应力，并沿此方向通电流时，其压阻系数1 1 = 1 0 2 2 x 1 0 1 1 m 2 n ；而沿( 1 0 0 ) 方向施加应力，再沿( 0 1 0 ) 方向通电流时，其压阻系数北1 2 = 5 3 7 x1 0 。1 1 m 2 n 。 另外，不同半导体材料的压阻系数也不同，如在与上述n 型硅相同条件下测出n 型锗的压阻系数分别为1 1 = 5 2 1 0 1 1 m 2 n ；1 2 = 5 5x1 0 1 1 m 2 n 。 压阻效应被用来制成各种压力传感器、加速度传感器，进而把力学量转换成 电学信号。例如：压阻加速度传感器是在其内腔的硅梁根部集成压阻桥( 其布置 与电桥相似) ，压阻桥的一端固定在传感器基座上，另一端挂悬着质量块。当传 感器装在被测物体上随之运动时，传感器具有与被测件相同的加速度，质量块按 牛顿第二定律产生力作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受应力作用而引起其电 阻值变化。把输入与输出导线从传感器中引出，可得到相应的电压输出值。该电 压输出值表征了物体的加速度。半导体压阻传感器已经广泛地应用于航空、化工、 航海、动力和医疗等部门。其压阻效应可如下解释【1 0 l ： 一根细长条的金属丝，如果其长度为z ，截面积为s ，电阻率p ，则其电阻 值为： r = 孚 ( 2 1 ) 对( 2 1 ) 式进行全微分求导，可以求得长度、截面积和电阻率三个参数的 变化对电阻值变化的影响。 7 纳米硅超微压力传感器设计研究 d r ：l - p + 旦讲一娶凼_ d s s s 用相对变化量表示为： d r d p d ld s 一= - t 一一 尺p ls 一般电阻丝的横截面积为圆形，因此有： s = l g r 2 ( r 为电阻丝的半径) d s = 2 r t d r ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 拿= 了2 7 r r d r = 等 ( 2 6 ) 一= 一= 一 f ， l s 死r r 、。 由材料力学知，对选定的材料，在纵向伸长的同时，横截面积将减小。横向 长度的相对缩小量和纵向长度的相对伸长量之间具有固定的比例，这一比例值即 为材料的泊松比。 了d r ：了d - - i - ( 2 7 )一= f 2 7 、 ，z 、。7 式中y 即为泊松比。所以有： 粤：- 2 y 了d ( 2 8 ) sz 、， 应力会引起材料电阻的变化，这里用仃表示应力，则电阻率p 的相对变化与 应力成币比如下式所述： i d p ：砸 ( 2 9 ) p 式中万为材料的压阻系数。根据胡克定律，应力仃、应变：譬和弹性模量e 之 间的关系为： 盯：e 占：e 孚 ( 2 1 0 ) ， 、 所以有： 譬：加孚 ( 2 1 1 ) p l 将式子( 2 3 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 联立，可以得到： i d r = 施孚+ 丝l + 2 y 孚：0 + 2 v + 2 v 施) ：g 占 ( 2 1 2 ) = 刀岂+ + y =+ 刀：e l = g 占 ，2 1 2 、 尺 zz 7 、- 一7 8 江苏大学硕士学位论文 式( 2 1 2 ) 中g = ( 1 + 2 y + 砸) 。从此式，可以看出材料电阻的相对变化量和应变 之间存在比例关系。式( 2 1 2 ) 中的g 常称为应变因子或材料的灵敏系数，其物 理意义表示材料发生单位应变时电阻的变化率。由g 的表达式可知，材料灵敏 系数由两个因素决定：一方面是l + 2 v ，它是由材料几何尺寸的变化引起；另一 方面是x e ，它是由材料受力后电阻率发生变化所引起的。一般的金属材料，电 阻率变化几乎与应力无关，即加值很小，可以忽略不计。在弹性限度范围内， g 值的大小在1 5 2 之间。而对于半导体材料来说，其压阻系数很大，g 值主要 由施决定，此时有g 祀。半导体的灵敏度系数一般在7 0 1 7 0 之间。因此， 可以发现，半导体的灵敏度系数比金属高的多。可以利用半导体优良的压阻特性 与其良好的弹性性能相结合，制作出半导体压阻式压力传感器。 2 2 半导体的压阻系数 在式坐：刀玎中，压阻系数万表示材料受到应力仃作用时的电阻率变化情 p 况。在外界压力的作用下，硅单晶的压阻系数万是一个高阶张量【1 1 】。对于硅单晶 来说，其空间形状是立方晶体，当坐标轴取在晶轴方向时，压阻张量只有三个独 立的分量。可如式表达式( 2 1 3 ) 所示： 乃2 000 曩2 000 乃2 0 00 0 0 0 0 0 0 000 冗i ( 2 1 3 ) 其中，乃- 、乃：、7 k 分别为纵向压阻系数、横向压阻系数和剪切压阻系数。 乃- 表示沿某晶轴方向的应力对这一晶轴同向排布电阻的影响：乃z 表示沿某 一晶轴方向的应力对沿与之相垂直晶向排布电阻的影响：7 表示剪切应力对与 其排布同一平面内的电阻率张量的影响。硅材料的各个方向压阻系数是由实验来 测定的。 对于任意晶向的压阻系数来说，可以把上述压阻张量从一个坐标系变换到晶 体主轴相同坐标系【1 2 1 。这是一个四阶张量的坐标变换，计算相当复杂，可以简单 9 2 l l 死以曩0 0 o 1 2 曩气气o 0 o 纳米硅超微压力传感器设计研究 地用上述三个压阻系数的组合来描述压阻系数，进而求出电阻变化率。当电阻处 于任意晶向时，如有纵向应力吒，沿此方向作用在硅敏感电阻上，则引起纵向 压阻系数乃；如果电阻上同时作用有与电阻方向垂直的横向应力，则引起横 向压阻系数乃。电阻的纵向放置于晶体主轴坐标系中，其方向余弦可用、嘲、 啊表示，则纵向压阻系数可表达为： 气= 乃。一2 ( 乃。一巧：一) ( 彳，砰+ 砰砰+ 彳砰) ( 2 1 4 ) 当电阻横向放置在晶体主轴坐标系中，此时其方向余弦可用om 2 、n 2 表 示，则电阻的横向压阻系数为： 乃= 乃：+ ( 乃一乃：一) ( 彳譬+ 砰2 + 砰绣) ( 2 1 5 ) 压阻系数乃t 和乃z 和正应力分量( 即纵向应力和横向应力) 有关，而压阻系 数万和剪切应力分量有关。这三个系数的实际值与压电电阻和硅晶体的晶格之 间的夹角有关。通过实验测定的常温下压阻系数值见表2 1 【1 3 1 。p 型硅最大压阻 系数为1 8 1 x 1 0 。1 1 p a 。1 ，n 型硅的最大压阻系数为一1 0 2 2 x 1 0 。1 1 p a 。许多硅压 电电阻由浓硼掺杂的p 型材料组成。 在压阻式压力传感器中，力敏电阻常常制作在硅薄膜上。压力引起的硅膜变 形，产生较大的应力。硅膜上电阻在应力的作用下相对变化为： z x r r = 死吒+ 砑听 但1 回 式中：气，听分别为沿电阻纵向和横向的应力；死，乃分别为纵向和横向的 压阻系数，p 型硅压电电阻在各个方向的压阻系数如表2 2 【1 4 1 所示。 表2 1 硅材料的压阻系数 t a b l e2 1 f n ep i e z o r e s i s t i v ec o e f f i c i e n to fs f l i c o nm a t e r i a l 在大部分的m e m s 应用场合，硅压阻主要是由薄带状存在，如图2 1 所示。 在这种情况下，仅需要考虑x 、y 方向上的平面应力。剪切应力相对较小，可忽 略不计。 1 0 硅压阻的一个主要缺点是其电阻率对温度依赖性较大，其压阻率对外应力的 灵敏度随着温度升高而迅速变差，二者之间呈现非线性变化的关系。表2 3 给出 了室温下压阻系数的变化【1 3 1 。 表2 3 硅压电电阻的电阻率和电阻温度系数 t a b l e2 3t h er i s i s t i v i t ya n dr e s i s t a n c et o m p e r a m r ec o e f f i c i e n to fs i l i c o np i e z o r e s i s t i v er e s i s t o r 注：t c r 是电阻温度系数，t c p 是压阻温度系数 纳米硅超微压力传感器设计研究 2 3 压阻式硅微压力传感器工作原理 压阻式微型压力传感器是利用硅的压阻效应工作的。弹性膜片感应外界压 力，并转变成特定位置上的应变和应力变化。在弹性膜片适当位置上通过半导体 工艺制成力敏电阻可以将应力变化转化为电阻自身阻值的变化。4 个压力敏感电 阻构成惠斯通电桥，在恒流源或恒压源的激励下，桥臂输出相应的变化电压。通 过对电压的测量，进而测出被测压力的大小。 在图2 2 中本文描述了一个压阻式硅微压力传感器结构。四个电阻被安放在 ( 1 0 0 ) 晶面的( 1 1 0 ) 晶向，它们能够将施加在薄膜上的压力变化转化为自身阻值的 变化，然后通过惠斯通电桥将电阻的改变转换成电压信号的输出。一对电阻刷， 船在外力的作用下被拉长，其电阻改变量为： 等2 等2 死吼+ 乃听2 阮+ v t r r ) o l2 ( 6 7 6 x 1 0 - 1 1 h 汜 另外一对电阻彪、膨有着相反的阻值改变，其电阻改变量为： 等2 等2 死+ 乃吒2k + 吮h = 一6 1 7 x 1 0 - 1 1 h 喝汜 使用恒压源激励时，由被测压力而引起的电阻变化，可通过惠斯通电桥电压 的输出而测量出： 堕：；鱼鱼三墨! 鱼 ；鱼竺； k慨+ r 2 ) ( r 3 + 尺)2 ( 1 + q 一口z ) ( 2 1 9 ) 其中，和k 分别是待测电压和外加电压。 ( 1 ) 压阻式硅微压力传感器体积小，适合于采用微加工技术来制作；通常通 过成熟的体工艺或者面工艺制造，其制造过程较为简掣1 5 1 。 ( 2 ) 由于嘶和口：相差很小，通过式( 2 1 2 ) 可知压阻式硅微压力传感器有着 较大的增益，输入与输出之间存在着较好的线性关系。 ( 3 ) 频率响应高，传感器本身的固有频率可以高达1 0 5 h z 以上，非常适合测 量系统的动态特点。 ( 4 ) 传感器中无活动部件、耐振、耐腐蚀，抗干扰能力强，可在恶劣的环境 条件中工作。 2 4 2 压阻式微压力传感器缺点 ( 1 ) 力敏电阻对温度具有很大的依赖性，使得传感器必须进行温度补偿。 ( 2 ) 力敏电阻给传感器的微型化带来了挑战1 1 6 1 。这是由于：当力敏电阻长度 减小时，会导致传感器功耗上升；当其宽度缩小时，又会因光刻工艺的限制使电 桥存在明显的零点漂移现象；当感压薄膜面积的缩减小时，将导致由于电阻的应 力均分效应，从而使得传感器灵敏度下降。 纳米硅超微压力传感器设计研究 压阻式硅微压力传感器微压化 压阻式硅微压力传感器的微压化过程常常是通过传感器芯片结构的改进而 的【1 7 1 。芯片结构本着应力集中的原则经历了平膜结构一岛膜结构一梁膜结构 梁结构的大致发展阶段。 平膜的设计和加工都比较方便，通常用来制作中高量程的硅微压力传感器。 岛膜结构中最通用的是1 9 7 7 年美国e n d e v c 公司设计的双岛结构1 1 a l ，它将压 阻制作在两个岛之间芯片的上表面以及岛与边框之间的芯片的上表面，这两 面区域应力比较集中，这样在相同的压力下可以获得较高的灵敏度。由于四 敏电阻都受到横向的应力，具有相似的非线性特性，构成全桥时非线性特性 内部抵消，因此器件的非线性可以做到很小。岛膜结构比较适用于低量程压 测量，利用双岛结构可以研制出测量范围在o - l o k p a 的硅微微压传感器。 梁膜结构由复旦大学在1 9 8 9 年为实现测量范围为o l k p a 的硅微微压传感 器而提出的1 1 9 1 ，它可以看成为一个正面的凸型形梁叠加在平膜上的结构。其结 构特点是力敏电阻制作在厚梁区，这样膜区的厚度不受压敏电阻的限制，其它平 膜区域的膜厚度可以做的很薄，传感器可以获得很高的灵敏度。 岛梁相结合的结构，是在传感器线性度提高的基础上，为了测量更加微小的 压力而提出的。除减小膜片厚度方法之外，这就要求设计能够产生更大应力的芯 片结构。在双岛平膜的正面，制成哑铃形状的梁形结构，这样传感器的正面就有 更加凸凹不平的形状，将会出现很好的应力集中效应。 在双岛梁的基础上，本文创新性提出四岛梁膜芯片结构。四岛梁膜芯片比已 有较好的双岛梁膜结构具有更好的线性度、更好的灵敏度和更高的抗过载能力等 诸多优点。将双岛改成四岛，四岛的位置位于宽梁膜区的背面，呈一定的对称分 布。由于四岛结构将原来结构的背部双岛分割成四个岛区，且总的岛区面积比双 岛区域面积小。这样既能减小了岛的一部分质量，又能使岛的总面积比双岛小， 使得传感器在受到外界压力的作用下，最大形变量得到一定的减小，能够提高传 感器的抗过载能力和线性度。由于传感器正面仍然是凸凹型梁结构，所以芯片仍 然保持着应力集中效应，与双岛相比，四岛梁膜结构的背部的沟槽数目得到了增 加，这将能够提高传感器芯片正面膜片的应力集中效应。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 6 传感器敏感材料的选择