（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems技术制作mosfet压力传感器研究.pdf

中文摘要 中文摘要 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m e m s 技术制作的m o s f e t s 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 m o s f e t ) ，使硅膜上的四个 p m o s f e t s 组成惠斯通电桥。利用半导体压阻效应，令两个p m o s f e t s 置于硅 敏感膜的径向位置，而另外两个p m o s f e t s 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 m o s f e t s 沟道等效电阻 阻值增大，两个横向p m o s f e t s 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m o s f e t s 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m o s f e t s 压力传感器 y 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m o s f e t s 压力传感器灵敏度为8 9 m v 1 0 0 k p a ， 线性度为士1 6 5 1 f s ，迟滞为士o 5 2 9 f - s ，重复性为士1 5 5 0 f s ，精度是2 3 2 6 f s ，零点输出的温度系数为1 3 2 ，灵敏度的温度系数为o 3 3 ，符合设 计要求。 本文设计的m o s f e t s 压力传感器信号容易采集，测试系统简单；很好地克服 了m o s f e t 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m o s f e t s 压力传感器采用p m o s f e t 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m e m s 技术制作的m o s f e t s 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。 关键词：m o s f e t 压力传感器；m e m s 技术；压阻效应；硅杯 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s s u r es e n s o ri sl a 唱e l yu s e di nt h ef i e l d ss u c ha l sm e d i c a lt r e a t m e n t ，i n d u s t d r p r o c e s sc o n t i o l ，b i o l o g ya n da v i a t i o n a sf 打a ss o m el i t e r a t u r e sc o n c e m e d ，t h e r ea r e m a n yt y p e so fp r e s s u r es e n s o r s ，m o s to ft 1 1 e ma r em a d ef 而ms i l i c o n s i l i c o nd i f m s i o n p r e s s u r es e n s o rh a sh i 曲s e n s i t i v i t ) ，a n dc o u l dr e a l i z em i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o na n d s o o n s oi th a sm a d eg r e a tp r o g r e s st h e s ey e a r s i nt h i sp 印e r t h ep r e s s u r es e n s o rm a d eb y m e m st e c h n 0 1 0 9 yh a ss q u a r es i l i c o nf i l m 、v i t hf o u rpt y p em o s f e t s t h e ym a k eu po f w h e a t s t o n eb r i d g e i nt e 肋so fp i e z o r e s i s t a n c ee 腑c to fs e m i c o n d u c t o r ，t h es e n s o rh a l s t w opt y p e e q u i v a l e n tc h a r 1 e lr e s i s t a i l c e so fm o s f e tl o c a t e a tt h el o n g i 伽i n a l o r i e n t a t i o n a n dt h eo t h e rt 、v ol o c a t ea tt h et r a n s v e r s eo e n t a t i o n w h e nt h ep o w e ri s s u p p l i e da n dt h ep r e s s u i - ei sa p p l i e d ，t 、 ，ol o n g i t l j d i n a l pt ) ，p e e q u i v a l e mc h a n n e l r e s i s t a n c e so fm o s f e tt u mt ob i g g e r t 1 1 eo t t l e r t 、v ob e c o m es m a l l e r t h e nt h eb r i d g ei s o u to fb a l a n c e ，t h e r ei st 1 1 ev o i t a g eo u t p u t ，s ow ec a nc h a n g et h ep r e s s u r es i g n a li m ot h e c o r r e s p o n d i n ge l e c t r i cs i g n a l b a s e do nt 1 1 er e l a t e dr e s e a r c ho fp r e s s u r es e n s o ra th o m ea i l dd b r o a d ，t l l i sp a p e r d e s c r i b e st l l e 蛐r l l c t u r ed e s i g n ，w o r kt 1 1 e o r y ，f a b r i c a t i o np r o c e s sa 1 1 dt h es i n l u l a t i o no f m o s f e t sp r c s s u r es e n s o r d u 血培t h ee x p e r i m e 咄t h e ，yc 1 1 a r a c t e r i s t i c ，p r e s s u r e s e n s i t i v ec k 瞰l c t e r i s t i ca u l dt 1 1 et e m p e r a t u r ec h 龃a c t e r i s t i ca r et e s t e d ；蚯e rt h a tm es t a t i c c h a r a c t e s t i ci sa 1 1 a j y z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt l l e s e n s i t i v i t ) r o f m o s f e t sp r e s s u r es e n s 0 ri s8 9 i n v 1 0 0 l o a ，t l l el i n e a r i t yi s 士1 6 5 1 f s ，t l l el a gi s 士0 5 2 9 f s ，t h er e p e a t a b i l i t ) ，i s 士1 5 5 0 f s ，t 1 1 ep r e c i s i o ni s 2 3 2 6 f s ，t h e t e m p e 船t i l r ec o e 伍c i e mo fn u l lo u t p u ti s1 3 2 ，t h et e m p e r a t u r ec o e m c i e n to f s e n s i t i v i t yi s - 0 3 3 t h em o s f e t sp r e s s u r es e n s o rm e e t st h ed e s i g nd e m a n d t h em o s f e tp r e s s u r es e n s o rt l l i s p a p e rd e s i g i l e dc a ne a s i l yg e tt 1 1 e u s e 如l i n f b 咖a t i o n ，a 1 1 di th a l ss i m p l et e s ts y s t e m nc a ng e to v e rt h ed i m c u l t i e st h a tm o s f e t c 印a c i 伽c ep r e s s u r es e n s o rh a s ，i ta v o i dt h ec o m p l e xt e s tc i r c u i ta n dt h et r o u b l et h a t t i n ys i 印a ji sh a r dt ot e s t a t l em e a l lt i i i l e ，t 1 1 em o s f e t sp r e s s u r es e n s o ru s e p - m o s f e tc h 锄e la sp r e s s u r es e n s i t i v er e s i s t a i l c ei n s t e a do fu s i n gd i f m s i o ns i l i c o na s 1 1 a b s t r a c t p r e s s u r es e n s i t i v er e s i s t a n c e s ot h es t a b i l i t yo ft h es e n s o ri se n h a n c e d ，t h ed i s t u r b a n c e o ft h es e n s o ri sm i n i m i z e d ，t h et e s ts i g n a l i ss t a b i l i z e d ，t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ci s b e t t e r 1 1 1 ep r o c e s so fm o s f e t sp r e s s u r es e n s o rb a s e do nm e m st e c t u l o l o g yi s c o m p a t i b l ew i t hi cp r o c e s s ，、v h i c hh a se x p e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ： m o s f e tp r e s s u r es e n s o r ；m e m st e c h n o l o g y ；p i e z o r e s i s t i v ee f f e c t ； s i l i c o nc u p i h - 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：万庭签字日期：捌年多月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑态堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：否定 导师签名： 签字日期：w 必年多月 日 签字日期：啷年6 月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：悠。移o s | s3 4 邮编： 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 传感器技术是信息社会的重要技术基础，传感器的数量、质量直接决定了信 息技术系统的功能和质量【1 ，2 1 。微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术、 光电子技术和超导电子等新技术的发展，均为加速研制新一代传感器提供了发展 的条件。传感技术将是当今世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。 在信息社会中，人们为了推动社会生产力的发展，需要用传感器来检测许多非电 量信息，如压力、流量、速度、温度、湿度以及生物量等等【2 - 5 】。 压力传感器是目前应用极为普遍的测量和控制仪器必须用的元器件。从常规 的气压计、汽车油压计和医用血压计等简单的指示测量到工业、航空和航天等特 殊条件和环境下的高可靠、高精度压力监测控制，其关键部件的压力传感器起决 定性作用【6 ，8 1 。半导体传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点，特别是半导体 传感器制造工艺与集成电路工艺相兼容，这就满足了传感器向智能化方向发展的 要求。随着微电子技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。其中，硅压力传感 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。相关文献介绍， 压力传感器中有9 5 都是采用硅材料制作的【7 ，8 】。 在众多的硅压力传感器中，电容式压力传感器具有灵敏度高、稳定性好、预 热时间短和封装过程中不易受损等优点，所以在最近几年中引起了人们更高的重 视【9 1 。但是，电容式压力传感器的信号处理电路非常复杂，而且电容式压力传感器 的微小电容变化又很难处理。 本文设计的m o s f e t s 压力传感器是在方形硅膜上设计四个m o s f e t s ，利用 m o s f e t s 的沟道电阻作为压敏电阻，四个m o s f e t s 组成惠斯通电桥，当受到外 界压力时，桥路失衡，产生电压输出。从而实现力学量信号到电压信号的转变。 同时也很好地克服了电容式压力传感器的上述缺点。同通常的扩散硅压阻式压力 传感器相比，m o s f e t s 压力传感器信号稳定、功耗低、容易解决惠斯通电桥输出 调零问题。 1 黑龙江大学硕士学位论文 1 2 半导体压阻效应的研究进展 1 9 3 2 年美国布利戈曼和阿朗研究了晶体的压阻效应；同年阿朗发表了关于铋 单晶压阻效应的工作成果，并且在1 9 3 3 年做了锑单晶压阻效应的工作报告，1 9 3 6 年做了锌和镉晶体的压阻效应工作总结。1 9 3 7 年，他又做了锡四边形体单晶体压 阻效应工作总结。布利戈曼计算出n 型锗的液体静力压力系数。1 9 3 5 年库克森发 表了有关“压阻效应理论”的论文。1 9 5 4 年史密斯发表了“硅和锗的压阻效应”的论 文，文中对两种半导体的简单应力效应进行了论述，并给出了一系列的压阻系数 值。1 9 5 5 年1 9 5 6 年梅森瑟斯顿使用压阻材料来测量力、位移和扭矩。1 9 5 8 年， 他发明了半导体应变片，其灵敏度比金属提高了几十倍。1 9 6 0 年这种应变片正式 投入市场。1 9 5 7 年赫林对硅和纯锗进行了研究。1 9 6 0 年霍朗德尔，狄塞尔和维克 进行了关于二氧化钛压阻效应的研究。1 9 6 1 年桑切斯和赖特发表了“柔性半导体应 变片的最近进展”的论文。1 9 6 2 年塔夫特等发表了“硅扩散元件的压阻膜片”的论 文，文中对扩散式应变片的硅压力传感器进行了完整的叙述。1 9 6 3 年塔夫特兹京 发表了“硅扩散层的压阻特性”论文，对n 型硅进行了研究。1 9 6 4 年皮古斯和比尔 在第七次半导体代表会议上作了总结。1 9 6 5 年费朗齐斯对硅集成压阻式压力传感 器进行了论述【9 1 。此后，人们对半导体材料压阻效应进行的大量理论研究和实验研 究，为压力传感器的研制提供了理论根据和实验数据，使后来各种类型的压力传 感器陆续问世。 由压阻效应研制的力敏元器件种类繁多，用途也很广泛，它所测量的物理量 包括压力、加速度、速度、扭矩、位移、振动和流量等等。随着工业的发展和技 术的进步，特别是控制理论和测量技术的发展，力敏器件将得到不断的创新，在 各种测量和自动控制领域将发挥更大的作用【9 ，10 1 。 1 3 压阻式压力传感器的优越性 压阻式压力传感器的优越性如下： 1 灵敏度高 半导体压阻式压力传感器的灵敏度比金属应变式压力传感器的灵敏度高5 0 2 一 第1 章绪论 1 0 0 倍1 9 1 。一般半导体压阻式压力传感器满量程输出为1 0 0 m v 左右，而金属应变 片传感器的满量程输出最多在1 5 m v 左右。 2 精度高 由于单晶硅具有良好的线性压阻系数，而且硅压力传感器实现了弹性元件与应 变元件的一体化，不存在由于机械缺陷和应变粘贴造成的迟滞和重复性误差，因 此这种传感器容易实现很高的精度。 3 稳定性好 半导体的电阻随温度的变化较大。但由于半导体压阻式传感器在芯片上采用了 惠斯通电桥，从工艺和外电路上对温度漂移进行了多种方法的补偿，有效地抑制 了电阻的温度系数，从而使半导体压阻传感器的稳定性不亚于其它传感器。目前 半导体压阻式传感器的工作温度可达4 0 + 8 0 。 4 体积小 由于半导体压阻式压力传感器采用i c 工艺把应变电阻桥集成在一个很小的硅 片上，而且外壳封装技术也在不断地完善；因此这种传感器的体积可以做得很小， 而这是结构式传感器很难做到的。 5 分辨率高，频响高，动态响应好 在实际中，半导体压阻式传感器的分辨率是相当高的。由于硅具有很高的刚 性系数，而且芯片的尺寸可以制作的很小，所以半导体压阻式传感器的敏感膜片 的固有频率很高。同时半导体压阻式压力传感器的压力腔可大可小，因此它的动 态响应非常好【1 0 ，1 1 1 。 1 4 压力传感器的发展趋势和发展动向 当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各行各业，但 归纳起来主要有以下几个趋判1 2 ，1 3 】： 1 小型化 目前市场对于小型压力传感器的需求越来越大，这种小型传感器可以工作在 极端恶劣的环境下，只需要很少的保养与维护，对周围的环境影响也很小，而且 黑龙江大学硕士学位论文 可以放置在人体的各个重要器官中收集资料，不影响人的正常生活。如美国e n t r a i l 公司生产的量程为2 5 0 0 p s j 的传感器，直径仅为1 2 7 m m ，可以放置在人体的血 管中而不会对血液的流通产生大的影响。 2 集成化 压力传感器已经越来越多的与其它测量用途的传感器集成在一起，形成测量 和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可明显提高操作速度和效率。 3 智能化 由于集成化的出现，在生产制造集成电路时可添加一些微处理器，使得传感 器具有自动补偿、通讯、自诊断和逻辑判断等功能。 4 广泛化 压力传感器已经从单纯机械行业向其它各个领域扩展。例如：汽车电子系统、 医疗仪器和能源环境控制系统等等。 5 标准化 传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如i s o 国际质量体系；美 国的a n s i 、a s t m 标准、俄罗斯的1 1 0 c t 以及日本的j i s 标准。 近几年压力传感器的研制不断更新与突破，其性能越来越优越，用途越来越 广泛，类型也越来越繁多。从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个 方向【1 4 - 16 1 ： 1 光纤压力传感器 这是一类研究成果较多的传感器，但投入实际领域的并不是太多。它的工作 原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性，由硅框和金 铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板。在有压力的情况下，光线通过 挡板的过程中会发生强度的改变，通过检测这个微小的改变量，我们就能测得压 力的大小。这种敏感元件己被应用与临床医学，用来测扩张冠状动脉导管气球内 的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。同时， 在加工与健康保健方面，光纤传感器也在快速发展。 2 电容式真空压力传感器 第1 章绪论 e h 公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为o 8 2 8 m m 的氧化铝 ( a 1 2 0 3 ) 构成，其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用，不需要 温度补偿，可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原理， 基片上一电容c 尸位于位移最大的膜片的中央，而另一参考电容保位于膜片的边 缘，由于边缘很难产生位移，电容值不发生变化，c _ 的变化则与施加的压力变化 有关，膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时，膜片贴在基片上不 会被破坏，无负载时会立刻返回原位无任何滞后，过载量可以达到1 0 0 ，即使是 破坏也不会泄漏任何污染介质。因此具有广泛的应用前景。 3 耐高温压力传感器 新型半导体材料碳化硅( s i c ) 的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可 能。r o b e r s o k q j i e 报导了一种运行试验达5 0 0 的0 【( 6 h ) s i c 压力传感器。实验结 果表明，在输入电压为5 v 、被测压力为6 9 m p a 的条件下，5 0 0 时的满量程输出 为4 4 6 乱2 0 0 3 m v ，满量程线度为0 1 7 ，迟滞为o 1 7 。在5 0 0 条件下运行1 0 小时性能基本不变，在1 0 0 和5 0 0 两点的应变温度系数分别为一0 1 9 和 0 1 1 。这种传感器的主要优点是p n 结泄漏电流很小，没有热匹配问题以及 升温不产生塑性变型，可以批量加工。z i e 咖锄，r e n e 报导了使用单晶体n 型d s i c 材料制成的压力传感器，这种压力传感器工作温度可达5 7 3 k ，耐辐射。在室温下， 此压力传感器的灵敏度为2 0 2 m v 脚a 。 4 硅微机械加工传感器 在微机械加工技术逐渐完善的今天，硅微机械传感器在汽车工业中的应用越 来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小，线度可以达到1 2 n 瑚，可以放置 在人体的重要器官中进行数据的采集。h a c h o l 等报导了一种可以用于测量眼球的 眼压计，其膜片直径为1 m m 。在内眼压为6 0 m m h g 时，静态输出为4 0 m v ，灵敏 度系数比较高。 5 具有自测试功能的压力传感器 为了降低调试与运行成本，d i r kd eb 1 1 l y k e r 等人报导了一种具有自测试功能 的压阻、电容双元件传感器，它的自测试功能是根据热驱动原理进行的，该传感 黑龙江大学硕士学1 立论文 器尺寸为1 2 m m 3 m m o 5 m m ，适用于生物医学领域。 6 多维力传感器 六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点，现在国际上只有美 国和日本等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上， 又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉，阵列密度为2 4 3 8 c m 之，灵 敏度高，结构柔性好，能抓握和识别鸡蛋和钢球，现已用于机器人分选物品。 1 5 压力传感器的最新成果 压力传感器的最新成果如下： 1 多晶硅高温压力传感器 国内很多大学都研制出了如图1 1 所示压力传感器结构，这是一个多晶硅高温 压力传感器，它以单晶硅片为衬底，通过热生长法生长一层s i 0 2 ，再用l p c v d 淀 积一层未掺杂的多晶硅薄膜，然后进行硼离子注入掺杂，再经过干法刻蚀形成4 个多晶硅电阻。利用真空蒸镀法制作耐高温电极，然后用p e c v d 法在敏感元件表 面淀积一层氮化硅钝化层，以确保传感器能够长期稳定可靠的工作，刻蚀出压焊 点，进行压焊封装。室温输出灵敏度为8 3 9 m v l 【p a ；在0 6 m p a 压力范围内，输 出非线性小于1 3 8 ，迟滞优于o 0 9 8 ；在室温至4 0 0 范围内，电阻温度系数为 0 0 8 9 ，灵敏度温度系数为o 1 2 【1 7 】。 图1 1 多晶硅高温压力传感器的典型结构1 1 7 l f i g 1 1t h eh i g hp o l y s i l i c o nt e m p e r a t u r es e m i c o n d u c t o rp r e s s u r es e n s o r 2 m o s 电容型压力传感器 图1 2 给出的是厦门大学研制的m o s 压力传感器。整个芯片尺寸为 6 0 0 p m 10 5 0 “m ，栅极膜片尺寸为2 0 0 岬2 0 0 岬，其成品外形尺寸约为 1 0 m m 5 眦n 3 m m 。栅极与氧化物层之间有一个空气间隙( 约为o 5 岬) 当压力施加 第1 章绪论 于膜片时，膜片发生变形，并引起栅极电容的变化，而漏极电流和开启电压也将 发生变化。测量范围约为1 1 7 a t m ，在测量范围内非线性约为2 3 【18 1 。 图1 2 电容型m o s f e t 压力传感器【1 8 】 f i g 1 2c 印a c i t i v em o s f e tp r e s s u r es e n s o r 3 压阻式压力传感器 2 0 0 5 年l0 月份，河北工业大学和天津大学联合研制的压力传感器结构如图1 3 所示，图1 4 是该传感器的管芯结构以及硅杯尺寸。该传感器的量程为o 1 0 m p a ， 最高使用温度为2 2 0 ，灵敏度为2 0 0 2 4 0 m v ( v m p a ) 左右【1 9 】。 ； ： ：- ： ； ： ：岛ju 期4 5 0 ： ： ； - i i t 沪髻 4 嗍 图1 3 压力传感器剖面图图1 4 方膜结构副1 9 1 f i g 1 3t h es e c t i o np i c t u r eo f t h ep r e s s u r es e n s o r f i g 1 4t h es t r u c t u r eo f s q u a r ef i l m 4 s o i 高温压力传感器 2 0 0 5 年9 月，德国柏林科技大学研制的一种s o i 结构压阻式压力传感器如图 1 。5 所示。其压敏电阻的分布如图1 - 6 所示，压敏区域的薄膜厚度为3 岬，薄膜直 径为5 0 0 岬1 。动态谐振频率5 0 h z ，灵敏度为3 v ( v p a ) ，测量范围士1 k p a ，线性度 1 1 2 0 】。 黑龙江大学硕士学位论文 譬o ， 圈矿q o 纠n 4 _ p d o i ，i n 9 v = 竺! = = ! 了铺| n 一i 。 _ ga等 图1 5 传感器的结构1 2 0 j图1 6 压敏薄膜【2 0 】 f i g 1 5t h es t r u c t u r eo ft h es e n s o rf i g 1 6t h ep r e s s u r es e n s i t i v ef i l m 5 挪威研制的医用压力传感器 2 0 0 5 年11 月，挪威奥斯陆大学研制了一种压阻式压力传感器，可以治疗脑积 水。尺寸可达到7 0 0 m x 7 0 0 m ，器件厚度为6 7 0 p m ，但是真正工作的部分，只是 最上表面的5 u m 薄层，如图1 7 所示川。 e i p d 哪t f 训p ； 删e h 时叫i p m p 卸s a 印卿? c o n ：p 利删 j 幽“a 1 吨 、v a m ”l v 图1 7 传感器结构【2 1 】 f 迢1 7t h es t r u c t u r eo ft h es e n s o o 圈王一， 国薷 s k ； - ： l 。 n蓼灞 图1 8 传感器工作原理1 2 l 】 f i g 1 8t h ep r i n c i p l eo ft h es e n s o r 传感器可以通过手术植入到导管中，连接大脑和电子模块的导管可以通过植入 到导管壁中来实现，电子模块植入皮肤内，可以通过体外的无绳设备来驱动和记 录数据，图1 - 8 给出了该传感器的工作原理示意图。 6 瑞士研制的悬浮栅电容式压力传感器 2 0 0 6 年1 月瑞士联邦技术研究所研制的一种聚酰亚胺做牺牲层的悬浮栅压力 传感器。该传感器利用漏极电流完成压力监测，提高了灵敏度，其电流数量级比 第1 章绪论 以往的电容电流的数量级提高了1 0 3 倍吲。 1 6 本章小结 天 a j s is u s f - ；n | e dg 赳垂 j a | ：一，誊 l & i k 1 ：左 。，：科拦“ k 吨芝燕慕燕纛 在工农业生产、医疗、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对压力进 行测量及控制。压力传感器正向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。 随着m e m s 技术日益成熟，利用m e m s 技术与标准的c m o s 工艺制造集成的微 传感器成为了当前微传感器发展的方向。一方面使灵敏度、线性度、精确度以及 接口电路性能得到提高。另一方面，明显减小了器件尺寸。 本设计基于m e m s 技术制作m o s f e t s 压力传感器，并对其性能进行测量分 析和讨论，该传感器具有结构新，工艺简单，成本低、易于集成化等特点。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章m o s f e t s 压力传感器的工作原理 2 1 应力和应变 任何固体在外力作用下都要变形，产生形变。外力停止作用后，形变也消失， 这种形变变为弹性形变。在拉力的作用下，物体的伸长量不仅与力的大小有关， 而且还与物体的横截面的大小有关。为了计入横截面大小的影响，引入应力的概 念，即单位面积的作用力【2 3 五5 1 。其数学表达式为 萨争 ( 2 1 ) 式中卜应力( n c m 2 ) ： s 7 样品的截面积( c m 2 ) ； 石作用力州) 。 通常规定：作用力为拉力时，痧0 ；作用力为压力时，水0 。 单位长度的伸长量为应变。表明物体的伸长量不仅与应力有关，而且和原来的 长度也有关。应变的数学表达式为 s = 等 ( 2 2 ) 式中彳上伸长量( c m ) ； 上原长( c m ) ； 卜应变。 应力和应变的关系满足胡克定律 仃= b ( 2 3 ) 式中卜应变； 卜弹性模量，又称杨氏模量洲c m 2 ) 【9 1 。 2 2 压阻效应和压阻系数 对金属或者半导体施加应力时，金属或半导体的电阻率要发生改变，这种现象 第2 罩m o s f e t s 压力传感器的工作原理 就叫做压阻效应。压阻效应具有明显的各向异性的性质，沿晶体的不同方向施以 拉力或压力，再沿不同的方向通以电流，测电阻率时，发现电阻率的变化随两者 的方向不同而不同【2 6 _ 2 9 1 。电阻率的变化率与应力成正比 竺：塑：舾 ( 2 4 ) pp 式中p 电阻率变化量( q c m ) ； p 电阻率( q c m ) ； 万压阻系数( c m 2 n ) 。 独立的压阻系数分量仅有石、万m 刀。三个分量。万为纵向压阻系数，万。：为横 向压阻系数，石。为剪切压阻系数。 而任意晶向的纵向压阻系数和横向压阻系数的公式分别为 巧i = 万i 一2 ( 巧。一乃2 一) ( ，1 2 ，砰+ 肌? 彳+ ，? 彳) ( 2 5 ) 式中巧f 任意晶向的纵向压阻系数( c m 2 n ) ； 石纵向压阻系数( c m 2 n ) ； 万1 2 横向压阻系数( c m 2 n ) ； 丌4 4 剪切压阻系数( c m 2 n ) ； 0m ，z l 任意方向的方向余弦。 q = 乃2 + ( 乃l 一7 r 1 2 一万“) ( 印，；+ ，砰朋；+ 砰玎；) ( 2 6 ) 式中万。任意晶向的横向压阻系数( c m 2 n ) ； 7 2 ，聊：，伤与任意方向垂直的方向余弦。 表2 一l 主晶轴坐标系中的基本压阻系数( 1 0 c m 2 们) 【9 】 t a b l e 2 一lt h eb a l s i cp i e z o r e s i s t i v ec o e 衔c i e n ti nm a i nc w s t a la x i s 材料电阻率q c m 巧1乃2冗蚺 n s i 】11 0 2 2 5 3 41 3 6 p - s i 86 61 11 3 8 1 黑龙江大学硕士学位论文 任意晶向的纵向压阻系数和横向压阻系数求出以后，如果单晶硅片在此晶向上 同时有纵向应力q i 和横向应力q 的作用，则在此晶向上的电阻变化率可利用( 2 5 ) 和( 2 6 ) 两式，按下式求得【3 0 _ 3 3 】 么月 百2 一i q i + n q ( 2 7 ) 式中么只电阻变化量( q ) ； 肛一电阻率( q ) 。 2 3 灵敏系数分析 设某材料的长度为三，截面积为s ，电阻率为p ；则该材料的电阻率表达式为 式中三长度( c m ) ； 卜面积( c m 2 ) 。 写成微分形式，则： n k2p j 躲争+ 一毒弱 s s s 2 积：月f 塑+ 丝一堕) ols d rd dd ld s rdls a rd dd ld s rdls ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 对于硅材料来说，式( 2 1 2 ) 右面第一项电阻率的变化率可用式( 2 - 4 ) 表示，式( 2 8 ) 右面第二项截面积变化率的表达式为 警= 2 譬一2 芋srl 式中，材料截面积半径( c m ) ； 泊松系数。 ( 2 1 3 ) 第2 章m 0 s f e t s 压力传感器的工作原理 对于硅，= o 3 5 。将式( 2 - 4 ) 、式( 2 1 3 ) 代入到式( 2 1 2 ) 中，得 警= 砸+ 警+ 2 譬= 艚卅+ 2 ) 譬 ( 2 - - 4 ) = 万盯+ + z = 万仃+ + 2 “l i z - l q l j r上三 、 。 、7 对于金属材料来说，根据式( 2 - 3 ) 的胡克定律，有 仃= e 警 ( 2 - 1 5 ) 将式( 2 15 ) 代入式( 2 1 2 ) 中，再由式( 2 l2 ) 右面两项的推导得 等：庇睾+ ( 1 + 2 ) 睾：【施+ ( 1 + 2 ) 】睾 ( 2 1 6 ) 尺上、。上 、 上 、7 令七= ( 1 + 2 ) + 万e ，且万= ( 4 0 8 0 ) 1 0 1 5 册2 ，e = 1 6 7 1 0 7 硎2 ， = o 2 5 o 5 。则可以得出 七金属2( 2 1 7 ) 式中k 属金属的灵敏系数。 七硅5 o 1oo ( 2 - 1 8 ) 式中k 硅的灵敏系数。 由此可见，硅的灵敏系数要比金属的灵敏系数大很多。所以压阻式压力传感 器通常选择硅材料来制作3 4 。6 1 。 2 4p m o s f e t 的工作原理 m o s f e t 的基本结构一般是个四端器件，如图2 1 所示，由图可以看出，中间 部分是由金属一绝缘体一半导体组成的m o s 电容结构。绝缘层上的金属电极称为 n 图2 一lp m o s f e t 的结构示意图 f i g 2 一lt h es t r u c m j - ed i a g r 锄o fp - m o s f e t 黑龙江大学硕士学位论文 栅极g ，在栅极上施加电压，可以改变绝缘层中的电场强度，控制半导体表面电 场，从而改变半导体表面沟道的导电能力。m o s 电容两侧的电极分别是源极s 和 漏极d ，在正常状态下，载流子将从源极流入沟道，从漏极流出。m o s f e t 晶体 管第四个电极是衬底电极b ，在集成电路中源极往往与衬底相连成为三端器件。 p 沟道m o s f e t ( p m o s f e t ) 是在n 型硅片衬底上通过离子注入形成p + 的源区 和漏区。p m o s f e t 的阈值电压，当漏区相对于源区加一负电压时，n 型 衬底表面随着负栅压的增大由电子耗尽层逐渐变为空穴积累。当栅压 时， 表面出现反型层而行程p 型导电沟道。在源漏电压作用下，经过p 型沟道从源端 流向漏端，产生电流，d s 【3 7 1 。为了进一步描述p m o s f e t 的工作原理和特性，下 面分区进行讨论。 1 截止区特性 当p 嘞时，随着s 的减小，n 型硅衬底表面逐渐形成耗尽层。耗尽层电 阻很大，因而流过漏源端的电流很小，只是p n 结反向饱和电流。截止区的电流 电压方程可以写成式( 2 一1 9 ) k = 0( 2 - 1 9 ) 2 线性区特性 当匹嘞且陆嘞 ，n 型硅衬底表面形成强反型导电沟道，此时若在 漏源之间加上负偏压，空穴就会通过反型层导电沟道从源端向漏端漂移，形成 电流k 。 k = 等等【2 ( 一) 一2 】 ( 2 - 2 0 ) 式中b r _ p m o s 漏电流( m a ) ； k 7 器件的跨导系数( 肛w 2 ) ； 职一p m o s 沟道宽度( “m ) ； 三p m o s 沟道宽度( 岬) ； r p m o s 栅压( v ) ； 圪旷_ p m o s 源漏电压( v ) ； 第2 章m o s f e t s 压力传感器的工作原理 所p - 一p m o s 开启电压( v ) 。 跨导系数k 由式( 2 2 0 ) 给出 肚一巳= 等亟 ( 2 - 2 1 ) 式中，空穴迁移率( c m 2 s ) ； c d 广一栅电容( f ) ； 酊一真空介电常数； 即一相对介电常数。 有时也用屏表示器件的增益系数，屏为 屏划孚 ( 2 - 2 2 ) 式中屏器件的增益系数3 8 ，3 9 1 。 线性区p m o s f e t 的沟道电阻为 r ：盟：墨一一 ( 2 2 3 ) k 7 矽( 一) 、7 由式( 2 2 3 ) 知，耽越小，r 值越大。m o s f e t s 压力传感器要求沟道电阻满足 一定范围，我们设计的m o s f e t s 宽长比耽= 1 ：4 。 3 饱和区特性 当茎嘞且圪f 巧应时，与无关，但由于沟道长度调制效应，饱 和区厶y 模型就变成 k ：等孚( 一) ：q + 兄瞄 ( 2 - 2 4 ) 。脚2 了i 【y g s 叫开j 肿 p 鹳) 式中l 沟道长度调制系数。 2 5m o s f e t s 压力传感器的调零问题 一般扩散电阻式半导体压力传感器是在n 型硅敏感薄膜上，沿一定的晶向扩 散四个p 型电阻，其中两个p 型电阻设计在拉应力区，另外两个p 型电阻设计在 压应力区，将这四个p 型电阻组成图2 3 所示的惠斯通电桥。当对n 型敏感膜施 黑龙江大学硕士学位论文 加压力时，桥路中两个电阻变大，另外两个电阻变小，惠斯通电桥失去平衡，如 图2 3 所示。理论上，桥路平衡时输出应为零，但传感器往往有零漂产生。 图2 2p 型电阻惠斯通电桥图2 3p m o s f e t s 患新通电桥 f i g 2 2pt y p er e s i s t a n c ew h e a t s t o n eb r i d g e f i g 2 3p m o s f e l 广sw h e a t s t o n eb r i d g e 压阻式压力传感器零漂的产生通常有以下几个原因：( 1 ) 传感器封装时硅芯片表 面涂硅油中含有气泡，硅油中气泡的胀缩产生对硅膜的压力而导致零漂。( 2 ) 桥路 的四个电阻阻值不完全相等，导致桥路输出端电压不为零。( 3 ) 硅杯的膜厚不均匀， 四个电阻热耗散不均匀导致阻值不完全相等。( 4 ) 硅表面的钝化膜问题，若铝电极 厚度为0 5 岬就可以较好解决由钝化膜产生的零漂问题f 9 1 。 m o s f e t s 压力传感器是利用方形硅敏感膜上制造四个p m o s f e t s 的沟道电 阻形成惠斯通电桥，如图2 3 所示。当未受到外界压力时，桥路是平衡的。此时， 由零漂产生的原因( 2 ) 知，四个扩散电阻应完全相等才能保证桥路输出端电压为零。 由式( 2 2 3 ) 知，p m o s f e t 的沟道电阻为： r ：j l 一 f 2 2 5 1 k ( s 一) 、7 m o s f e t 的栅压和沟道电阻r 存在一一对应的关系。因此我们可以通过 m o s f e t 的栅压来调整沟道电阻的初始值，使平衡时的四个m o s f e t s 的沟道电 阻阻值完全相等。 2 6m o s f e t s 压力传感器的灵敏度温度补偿 压阻式压力传感器的灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度的变化引起的。图 2 4 是不同掺杂浓度的压阻系数随温度