（微电子学与固体电子学专业论文）采用mems技术研制硅悬臂梁流速传感器.pdf

中文摘要 iiii| 中文摘要 本文研制的硅悬臂梁流速传感器是在硅杯的悬臂梁根部采用m e m s 技术制作 四个p m o s f e t s 组成惠斯通电桥，令两个p m o s f e t s 置于硅敏感膜的径向位置， 而另外两个置于横向位置。在流体作用在流速传感器表面对硅悬臂梁施加压力， 悬臂梁根部电桥中两个径向的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，在激励源供电情况下， 输出端产生端电压输出，从而实现了将压力信号( 即流体的流速) 转化为与之有 对应关系的电压信号输出。 本文在综述了国内外流速传感器研究概况的基础上，论述了硅悬臂梁流速传感 器的结构设计、工作原理、制造工艺，对实验研制的流速传感器的二y 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，研制的硅悬臂梁式流速传 感器灵敏度为3 4 7 0 m v1 1 0l m i n ，线性度为捣3 4 f s ，迟滞为5 - 0 1 3 7 f s ， 重复性为0 2 6 2 f s ，精度是3 3 5 3 f - 8 ，符合设计要求。 本课题采用p m o s f e t 沟道等效电阻做压敏电阻，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，灵敏度较高，能 够客观地、准确地采集到微小流体的流速。基于m e m s 技术制作的硅悬臂梁流速 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：硅悬臂梁流速传感器；m e m s 技术；惠斯通电桥；p m o s f e t 些丝些一1 1 一 _ i i 叠_ i i i i i i i i i i i i i i i i 宣萱i 皇暑i 置= 。y n1mh a b s t r a c t t h es i l i c o nc a n t i l e v e rf l o ws e n s o rd e v e l o p e di nt h i sp a p e ri su n i q u et h a tw ea p p l y t h em e m st e c h n i ct of a b r i c a t eaw h e a t s t o n eb r i d g ea tt h eb a s eo ft h ec a n t i l e v e ro ft h e cs i l i c o nc u p ，a n dt h ew h e a t s t o n eb r i d g ei sc o m p o s e do f 4p - m o s f e t s ，t w oo fw h i c h a r es e ta tt h er a d i a lp o s i t i o no ft h es i l i c o ns e n s i n gm e m b r a n e ，t h eo t h e r sh o r i z o n t a l p o s i t i o n ：w h i l et h ef l u i da c t s0 1 1t h es u t f a c 圮o ft h ef l o ws e n s o r , t h ef l u i dp r e s s e st h e s i l i c o nc a n t i l e v e r , a n dt h e nt h ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo ft h et w or a d i a lp - m o s f e t s g r o o v eo f t h eb r i d g ee n l a r g e s ，t h et w ol a t e r a le q u i v a l e n tr e s i s t a n c er e d u c i n g i nt h i sw a y , t h eb r i d g ec i r c u i tl o s e si t sb a l a n c ea n dt h ec a r r y o u tt e r m i n a lp r o d u c e so u t p u tv o l t a g e w i t hp o w e rs u p p l y , t h e r e b yt h es i g n a lo fp r e s s u r e ( i e t h ev e l o c i t yo ft h ef l u i d ) i s c o n v e r t e dt ot h ec o r r e s p o n d i n go u t p u tv o l t a g e a r e rr e v i e w i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r o f i l eo ft h ef l o wv e l o c i t ys e n s o r , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es t r u c t u r a ld e s i g n , o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e o ft h es i l i c o nc a n t i l e v e rf l o ws e n s o ra n di m p l e m e n t se x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o na n d s t a t i cp r o p e r t ya n a l y s i so nt h ei - vp o p e r t y , t e m p e r a t u r ep r o p e r t yo ft h es e n s o rt h a tw e d e v e l o p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h es u s c e p t i v i t yo ft h ed e v e l o p e ds i l i c o n i s3 4 7 0 m v 10 l r a i n , l i n e a r i t y 士3 3 4 啦s ，a 艄均g 吐0 13 7 f s , r e p e a t a b i l i t y 士2 6 2 f - s ，p r e c i s i o n 3 3 5 3 f s ，m e e t i n gt h e t h i ss t u d ya d o p t st h ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo ft h ep m o s f e t sg r o o v ea st h e v o l t a g ed e p e n d e n tr e s i s t i v i t y t h et c c h m cn o to n l yi n t e n s i f i e st h es t a b i l i t y , l o w e r st h e n o i s eo ft h es e n s o r , b u ta l s om a k e st h es e n s o rb ea b l et oo b t a i ns t a b l em e a s u r i n gs i g n a l s a n dc a p t u r ea c c u r a t ev e l o c i t yo fm i c r of l u i do b j e c t i v e l y 、航也b e t t e rt e m p e r a t u r ep r o p e r t y a n dh i g h e rs e n s i t i v i t y t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so fs i l i c o nc a n t i l e v e rf l o ws e n s o rb a s e do n m e m st e c h n i ci sc o m p a t i b l ew i t hi cp r o c e s sa n dw i l lg e tw i d ea p p l i c a t i o n n - 英文摘要 k e y w r d s ：s i l i c o nc a n t i l e v e rf l o ws e n s o r | m e m st e c h n o l o g y ： w h e a t s t o n eb r i d g e ： p m o s f e t - i - 第1 章绪论 i ii i n 第1 章绪论 1 1 流速传感器的研究背景及意义 早在上世纪中叶，曾有人预言2 1 世纪是传感器主导的时代，现在传感器的 应用已与人民日常生活，生产密切关联随着微电子技术的发展，传感器技术已 经发生了深刻的改变，从单一的物性型向更多功能、更高精度、更高质量、集成 化方向发展。其应用领域也在不断扩展，如检测的环境、农业生态、生命医学科 学、工业生产控制、航天航空等更多方面的智能化生产与管理等都对传感技术提 出新的需求。因此传感技术已成为当代社会重点发展的关键技术之一。传感技术 重要发展方向是研究与开发新型的低功耗、微型化、集成化传感系统。国内传感 器微系统技术的发展已步入到实用化阶段，日渐成熟，为高性能的微系统研究与 开发打下了坚实基础并提供了技术保障n 1 。 流速与流量是工农业生产制造过程中，计量能源、环境保护与监测、水力工 程工及河工模型试验中重要参量。机械转子式流速传感器是使用最早应用最广泛 的流速传感器，技术的发展相对成熟，但受机械结构限制，它的测量误差较大、 精度较低。涡街流速传感器、电磁流速传感器和声学多普勒流速传感器，测量精 度较高、使用安装简便，但生产成本高，且易受电磁波干扰。现应用于重要领域 的光纤流速传感器是近几年来发展起来的，其特点是耐腐蚀、重量轻、不受电磁 干扰及使用安全，缺点是易受温度干扰。基于半导体压阻效应，本文介绍了一种 客服上述缺点的新型流速传感器。可实现高灵敏，高频响，低功耗，并与i c 工艺 相兼容【2 】。 本设计的传感器可用于气体或液体等流体速度测定的流速传感器。可广泛 应用于风力发电、气象、汽车、航空器、工农生产检测、流体力学等领埘3 1 。 意义：( 1 ) 本设计的硅悬臂梁式流速传感器信号容易采集，测试系统简单， 而且易操作： 1 黑龙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 本设计的硅悬臂粱式流速传感器采用p 型金属氧化物半导体场效应晶体管的 沟道电阻做力敏电阻，代替了以往的扩散硅压敏电阻；温度特性较好，采集的信 号稳定，使流速传感器的稳定性增强的同时降低了噪声： ( 3 ) 本设计流速传感器在灵敏度和效率上都得到了提高。该流速传感器所消耗的 能量远小于传统结构式传感器，节约能源； ： 本设计的硅悬臂梁式流速传感器工艺与i c 工艺兼容，可实现智能化，有较 高的发展空间。 1 2 流速传感器在国内外的研究现状 我国早期由于在硅传感器技术方面相对于国外比较落后，流速传感器的研究 起步也比较晚，那时研制并投入生产的都是结构和功能比较简单的流速传感器， 如转子式流速仪，主要注重生产成本和较易投入生产方面的产品研发，生产和应 用比较广泛的也是结构式流速传感器。相对而言，对于新的节能，高效，精度高 的的流速传感器一般都在比较重要的领域才能得到应用，因此很多新型的流速传 感器都处在研发阶段。 国外的技术先进，起步较早，功能齐全，同时对新型节能高效的流速传感器 都花费巨大的财力物力，对于精度高，智能化的流速传感器很多都投入生产，这 些新产品都在很多领域得到了应用，比如电磁流速传感器，光纤流速传感器，涡 街流速传感器等，在对推动国家能源，环境，生产都起到了跟重要的作用。我国 近些年来，随着国外先进的测速设备的引进以及先进技术的推动，使流速传感器 的研发加快，已研制出了多种流速传感器，从单一的结构式出发转向高灵敏，高 频响，低功耗，能与i c 工艺相兼容的智能化流速传感器，其中硅流速传感器表现 出很好的开发潜力 4 5 1 。 下一节就会目前国内外较具有代表性的，应用比较广泛的几种流速传感器的 研究情及基本原理况加以介绍。 第1 章绪论 1 3 常见的流速传感器及发展情况 现在比较常用的用于流速采集的传感器主要有：电磁流速传感器，光纤流速传 感器，激光多普勒流速传感器，涡街流速传感器【6 】等。 1 3 1 电磁流速传感器 电磁式流速传感器对检测介质有一定的要求，要求是液体或浆液( 电导率必须 大于l o 。q c m 1 ) 。而且采集信号的过程中容易受到周围环境的影响。 电磁流速传感器其测量管光滑没有阻力、压力损失小、而且其精度高得到广泛 的应用；自上世纪中叶发明，电磁流速传感器的应用得到了推广，上世纪末期， 采用商用频率激磁方式的流速传感器成为电磁流速传感器的主要方向，之后采用 了具有商用电源整数倍周期的低频或方波激磁方式。另外电磁流速传感器的检测 电极之间的电位差为m v 级，电磁流速传感器在采集信号的时候会受到无关信号 共模电压等干扰。必须消除各种干扰信号才能达到准确测量的。为得到有效流速 信号，因此设计的电磁流速传感器的结构多数都相对复杂，生产成本也较高【丌。 图1 1 为电磁流速传感器实物图 图1 1 电磁流速传感器 f i g 1 - 1t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o ws e n s o r 黑龙江大学硕士学位论文 1 3 2 光纤流速传感器 在高温环境，强震动，强磁场环境，狭窄空间下都可以应用光纤流速传感器测 量流体流速。相较于常规流速传感器的优点是灵敏度高，响应速度快，防电磁干 扰，超高电绝缘，防燃，防爆，动态范围大，体积小成本低等。这些优点都使光 纤流速传感器具有很好的应用前景，因此光纤流速传感器也是近几年流速传感器 的发展方向之一嘲。 ： 光纤流速传感器中光束的传送载体为光纤，它可接收叶轮转速的光脉冲信号。 玛瑙轴承上面嵌套微型叶轮，它们能够快速轻盈地转动。叶轮转速与流速成线性关 系，它的叶片边缘上电镀了一层反射标记，当旋转标记掠过光导纤维测杆下端时，受 到光照产生一个反射光脉冲。光脉冲信号在光导纤维传送下进入光电接受器，光电 接收器一般用光电器件，如用光敏二极管、光敏三极管，光电池等都可以实现。通 过光电接收器把光信号转变为电脉冲信号，处理后可得到被测的流速值。图1 - 2 给 出的是一种较新型的光纤光栅流速传感器的实验装置构造图，其结构由光纤布拉 格光栅，开口环，密闭铝箔管组成。 1 2 光纤光栅流速传感器实验装置图 f 嘻1 - 2 t h ef b gf l o ws e n s o re x p e r i m e n t a ls e t u p 1 3 3 激光多普勒流速传感器 1 9 6 4 年研发的激光多普勒流速传感器是一种对流体进行间接测速的仪器，又 第1 覃绪论 称非接触式，依据是入射光经过运动的粒子后频率发生改变成为散射光，两种光 之间的频率差与流体的运动粒子速度存在关系，使之实现测速的，因为是非接触 式间接测速所以对被测流场不产生影响，且能在小面积中采集流速，可同时采集 平均流速，端流速，脉动流速【9 】。上世纪7 0 年代初的激光多普勒流速传感器是以 离散的光学元件为光路系统的，处理器是模拟的跟踪处理器。第二代产品诞生在 上世纪8 0 年代初，它处理器是与计算机接轨的数字信号处理器，光路系统的光学 元件分别是集成化的与离散的，实现了应用计算机来进行数据分析处理。进入上 世纪9 0 年代后，诞生的第三代流速传感器更加智能化、集成化了。图1 3 中是激 光多普勒流速传感器原理图。 船入示蒜杖 。j ，、： j 、， 园“曩蚕 1 3 4 涡街流速传感器 上世纪7 0 年代发展起来的涡街流速传感器是利用流体流动中产生振荡的原 理来检测流速或流量的，是一种新型流速和流量检测仪器。涡街流速传感器伴随 检测技术的发展经历了热敏式涡街流速传感器，应变式涡街流速传感器、应力式 涡街流速传感器、超声波式涡街流速传感器，再到先进应用广泛的电容式涡街流 速传感器。现在应用上实现了电容式逐步替代了初期的应力式涡街流速传感器( 以 丐_ 。 黑龙江大学硕士学位论文 压电晶体为检测元件) 等其他类型的涡街流速传感器。近几年，英国研制出一种 利用旋涡尾流的通过时间的涡街流速传感器，是同类产品中精度较高的n 。 1 4 流速传感器的发展趋势 市场上流速传感器种类繁多，根据不同的优缺点应用于不同的场所，在要求 精度的同时，流速传感器的制作工艺，成本投入，使用寿命都是消费者必须考虑 的选择因素，分析大体流速传感器的发展趋势有以下几类【1 1 国】： 1 微型化：要求向体积小、精度高、耗能低、惯性小、响应时间短方向的发展。这 样在测量流体流速时，既可以较小影响流体线度分布，还能达到低功耗准确测量。 2 智能化：可以把不同功能的多个传感器与检测、执行电路集成于同一芯片上面。 例如将温度传感器与流速传感器、执行电路采用m e m s 技术制造在一起，可以制 造出高可靠性和高稳定性的多功能流速传感器，实现温度与速度的同时检测。 3 能耗低：很多的流速传感器所消耗的能量远小于传统机械式的，但却拥有高的灵 敏度和效率。 4 批量生产：m e m s 技术保证了在一片硅片上制造多个微机械部件，因此硅悬臂 梁流速传感器能进行批量的小成本生产。 5 应用范围广泛：流速传感器的应用方向包括：工农业生产，生物制造业、医疗卫 生事业、环境保护、航空航天等。它不仅可形成新的产业，还能开通一条低成本， 低功耗，高性能的产品发展道路。改造传统产业的现状。 1 5 本文的主要研究内容 本课题研究的采用m e m s 技术研制硅悬臂梁式流速传感器，可实现精确测量 流体流速，并丰富硅流速传感器市场。本课题设计的硅悬臂梁式流速传感器，它 具有以下优点：灵敏度，精度高：体积小，功耗低；抗老化，不易磨损，安装方 便。 本设计的主要研究内容： 6 第1 章绪论 葺i i i i i1 1 1 if ( 1 ) 搜集流速传感器的相关资料，了解国内外各类流速传感器的发展概况及 趋势； ( 2 ) 研究硅悬臂梁流速传感器的土作原理，流速传感器的结构设计：总结压 阻效应并与硅悬臂梁相结合，利用惠斯通电桥检测外部信号； ( 3 ) 悬臂梁的刻蚀：利用激光打标机将悬臂梁释放； ( 4 ) m o s f e t s 的性能测试：对四个p m o s f e t s 进行i - v 特性，以及二y 特 性随温度变化的关系等测试； ( 5 ) 流速传感器的封装：对传感器进行电绝缘以及气密性的封装，防止测试过 程流体对传感器的损害； ( 6 ) 流速测量系统的设计； ( 7 ) 流速传感器实验数据的标定。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章硅悬臂梁流速传感器的工作原理分析 2 1 应力和应变 弹性形变：固体在外力作用下都会发生不同程度的形变，当作用的外力停止 后，固体的形变也消失。在拉应力作用下，力的大小和物体的横截面的大小决定 物体的伸长量。应力是单位面积的作用力，应力受横截面积大小的影响，表达示 为嗍： 万每 ( 2 - 1 ) 式中五为作用力； 艿为应力； 墨1 为样品的横截面积。 一般规定：作用力为压应力时，应力小于0 ：作用力为拉应力时，应力大于0 。 6 玎 t y e j 二 【c ) 图2 - l 应力与应变示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t r e s sa n dp o s i t i v es t r a i n 应力的符号上附加两个下角标表示这两个方向，例如，屯和，应力的第一 个下角标表示力的方向，第二个下角标表示作用面的法线方向。因此，称屯、如 是正应力( 或伸缩应力) 。如上所示的方片物体，当j 方向的应力作用表面是时， 物体在西，方向伸长外，收缩，当受到y 方向的应力时，在而，方向都发生形 廿 iil一 第2 章硅悬臂梁流速传感器的工作原理分析 i i i m l 变，y 方向伸长， z 方向收缩，沿x 方向屯，方向应力妨的共p - - j , 点：作用物体 的应力的方向与作用面垂直( 或力的方向与作用面的法线方向平行) 。 应变是单位长度的伸长量。应变的表达式为 s=丝(2-2) 上 式中s 为应变；l 为原长( c m ) ；4 三为伸长量( c m ) 。( 2 2 ) 式中表明物体的伸长量 与应力和原来的长度也有关。 因此应变符号下角标也有两个足标，应变的第一个下角标是原长度的方向，第 二个下角标是伸长量的方向。其中、称为正应变。 应力与应变是有联系的，满足胡克定律：o = e s( 其中e 为弹性模量) 2 2 压阻效应与压阻系数概念 压阻效应：当应力作用在金属或半导体表面时，他们的电阻率发生改变。沿半 导体的不同方向施以拉力或压力，把半导体不同的方向通电流，测半导体的电阻 率，会发现电阻率随拉力或压力的方向不同而发生变化f 2 5 锄】，因此压阻效应具有 明显的各向异性的性质。电阻率的变化率与应力关系式： 竺：竺：船( 2 3 )二= 二= 刀；口l z - jj 9p 其中万为压阻系数( c 朋锄；厶p 为电阻率变化量( o - o n ) ；p 为电阻率( 臼c m ) 。 压阻系数分量仅有三个独立的分量啊。、乃2 、。这里用物体表示半导体或金 属，其中巧。为物体纵向压阻系数，为物体的剪切压阻系数，筏2 为物体的横向 压阻系数。 物体的纵向压阻系数( 包括任意晶向) 的公式为： 万口= 万l l 一2 ( 乃l 一乃2 一和) 听砰+ 砰砰+ 彳砰) ( 2 - 4 ) 横向压阻系数为： 黑龙江大学硕士学位论文 -, 死= + 瓴。一巧2 一) 研蟹+ 砰绣+ 砰磋) ( 2 5 ) 式中为任意晶向的纵向压阻系数；扎为任意晶向的横向压阻系数； 余弦。 五，玛，啊为任意方向的方向余弦；如，鸭，为与任意方向垂直的方向 表2 - 1 主晶轴坐标系中的基本压阻系数( x 1 0 7 c m 2 1 , , 1 ) t a b l e 2 - 1t h eb a s i cp i e z o r e s i s t i v ec o e f f i c i e n ti nm a i nc r y s t a la x i s 材料 电阻率q 锄 乃l乃2刀0 n - s i p - s i l l 8 - 1 0 2 2 6 6 5 3 4 1 1 - 1 3 6 1 3 8 1 _ _ 一_ 一_ _ _ 一 把物体的纵向压阻系数和横向压阻系数( 任意晶向) 求出以后，如果是单晶 硅片在此晶向上受到纵向应力和横向应力气的同样时作用，则在此晶向上的电 阻变化可利用( 2 6 ) 式求得卿3 】 4 足 _ 瓦2 飘| 一b 飘一l 式中歙为电阻变化量( 口) ；r 为电阻率( q ) ； 2 3 灵敏系数分析 ( 2 6 ) 设物体的电阻率为o ，长度为三，截面积为s 当有应力作用在材料表面时材 料的l 变化d lj 变化舔，p 变化d 户 屯= o 时，r = p 喜( 2 - 7 ) 站o 时，j i c 写成微分形式，则： 积= 詈班一- 2 ld , s + i l d ( 2 - 8 ) ss 第2 章硅悬臂梁流速传感器的工作原理分析 d r = r ( - 警一了d s + 争 ( 2 - 9 ) j厶 、 警_ 譬一警d p p 4 - q 1 一= _ - 一 ，7 ，一1 n 、 r 。ls p 一j 等= 譬一警+ 了d p - 1 )一= + 一门i 1 1 、 rls p lij 若物体为半导体硅材料，可用式( 2 3 ) 表示式( 2 11 ) 中电阻的变化率，材料面积 s = 7 r r 2 ，则劣：2 万r d r ，譬：2 生( 2 - 1 2 ) 6r 令轴向应变为s l = t d l ；切向应变墨= 警；泊松系数= 一要= 0 3 5 s ：一成：叫睾= 一d r ( 2 - 1 3 ) 式中，为材料截面积半径( c 呻。 为泊松系数。 将式( 2 3 ) 、式( 2 1 2 ) 代入到式( 2 1 1 ) 中，得 警= 舸+ 譬+ 2 声孚= 舸+ ( 1 + 2 内譬 ( 2 1 4 ) 百2 舸+ 丁+ 2 声了2 舸+ ( 1 + 2 声) 亍 ( 2 对于金属材料来说，根据式( 2 3 ) 的胡克定律，有 矿= e 孚 ( 2 - 1 5 ) 式中e 为弹性模量； 将式( 2 1 5 汛入式( 2 1 2 ) 中，再由式( 2 1 2 ) 右面两项的推导得 警= 庙譬+ ( 1 + 2 z ) - - 譬= 汹+ ( 1 + 2 棚孚 ( 2 1 6 ) 七= ( i + 2 z ) + n e ，且窍= ( 4 0 8 0 ) x 1 0 1 5 绷2 n ，e - 1 6 7 x 1 0 n m 2 ，令七为 灵敏系数 = 0 2 5 0 5 。则可以得出 k 属1 m ( 2 1 7 ) 黑龙江大学硕士学位论文 式中为金属的灵敏度系数。对于硅，t = 0 3 5 。 k 硅= 6 6 8 1 3 3 6 ( 2 - 1 8 ) 式中k 为硅的灵敏度系数。 由k 硅 k 金一。因此通常用的压阻式传感器在材料选择上会首选择硅材料来制 胙【粥6 】 ir o 2 3p - m o s f e t 的工作原理 ， m o s f e t 是电压控制型多子器件，基本结构一般是个四端器件，如图2 2 所 示，从图中我们可以看出，m o s 电容结构体现在它的中间部分是由金属一绝缘体 一半导体组成的。中间金属电极称为栅极g ，如若果想改变栅极下面的半导体的 电阻率，可在g 极上施加电压，该电压可以控制绝缘层中区域内的电场强度，从 而改变半导体表面沟道的导电能力( 电阻率) 。下图中左侧电极为源极s ，右侧为 漏极d 。在正常加工作电压情况下，载流子通过沟道沟道，将从源极流入，从漏 极流出。图侧的衬底电极b ，在集成电路中源极往往与源极连在一起，则通常看到 的m o s f e t 都会是三端器件。 b 图2 - 2p - m o s f e t 的结构示意图 f i g 2 - 2t h e s l m c t u r ed i a g r a mo f p - m o s f e t p 沟道m o s f e t ( p 1 订o s f e t ) 是在低掺杂的n 型硅片衬底上通过离子注入 形成p + 的源区和漏区。设定p - m o s f e t 的阈值电压，当漏区负电压时，n 第2 苹硅悬臂梁流速传感器的工作原理分析 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。当栅压小于阈值 电压时，沟道表面出现反型层而形成p 型导电沟道。在源漏极电压作用下，载流 子从源端流向漏端，产生漏极电流k 卿。 分区进行讨论描述p m o s f e t 的工作原理及工作特性： ( 2 ) 线性区 当栅源电压小于等于阈值电压且栅源电压与阈值电压之差小于漏源电压时， 衬底表面形成明显的不同于原来导电类型的沟道，若加负偏压v n s 在漏源之间，空 穴载流子就会从源端通过反型层导电沟道向漏端漂移，形成反向电流，如下式所 示： k = 等等【2 ( 一砀) 一2 】( 2 - 1 9 ) 式中k 为器件的跨导系数“们；工为p m o s 沟道宽度( 聊) ； 形为p m o s 沟道宽度( f 朋) ；k 为p m o s 漏电流( 剃) y o s 为p m o s 栅压( v ) ；为p m o s 源漏电压( v ) ； v n , 为p m o s 开启电压( v ) 。 下式给出跨导系数k ； 肚心巳= 学( 2 - 2 0 ) 式中p 是空穴迁移率( c m 2 v s ) , 岛是真空介电常数；是相对介电常数； c ：是栅电容( f ) 。 在线性区p m o s f e t 的沟道电阻为 r=卺=丽laio k 锣( 坛。一) 、7 由上可知，w l 越小，r 值越大。要求硅悬臂粱流速感器设计的m o s f e t s 宽 长比w l = 1 ：6 。 ( 1 ) 截止区 黑龙江大学硕士学位论文 当栅源所加电压小于阈值电压时，随着栅源所加电压的降低，沟道内n 型表 面逐渐被耗尽。这时候沟道内电阻很大，产生的后果是漏源电流变很小。截止区 的电流电压方程是： 1滔=0 i， 。( 2 - 2 2 ) ( 3 ) 饱和区 当栅源电压小于阈值电压时且栅源电压与阈值电压之差大于漏源电压时，反 廊盛兢与源漏所加电压没有关系，但由于沟道长度调制效应，下式中a 为沟道长度 调制系数，饱和区伏安特性关系模型就变成：+ k = 了k t w ( 一) 2 d + 删( 2 - 2 3 ) 2 4 惠斯通电桥的调零 本设计的硅悬臂梁流速传感器是在硅悬臂梁的根部上，沿一定的晶向扩散四个 沟道电阻值差不多的p 型金属氧化物半导体场效应晶体管，其中两个场效应晶体 管设计在压应力区，另外两个设计在拉应力区，将这四个p - m o s f e t 的沟道电阻 组成惠斯通电桥。 锄 ：g n d ( a ) 场嘲 ( b ) 图2 - 3 传感器工作电路 ( a ) 惠斯通电桥( b ) 等效电路 f i & 2 - 3s e n s o ro p e r a t i n gc i r c u i t ( a ) w h e a t s t o n eb a d g e( b ) e q u i v a l e n tc i r c u i t 第2 章硅悬臂梁流速传感器的工作原理分析 当流体流过传感器就会对悬臂梁施加压力，悬臂梁发生形变，梁根部的桥路中 两个p 型金属氧化物半导体场效应晶体管的沟道电阻变大，另外两个沟道电阻变 小，电桥失衡。理论上，外加输入信号为零时，输出也应为零，但由于各种条件 因素制约，传感器往往有零漂产生。设计的硅悬臂梁流速传感器四个p - m o s f e t 组成惠斯通电桥的原理图、沟道电阻等效电路如2 - 3 图所示。 分析各种因素，硅悬臂梁式流速传感器零漂的产生通常有以下几个原因： ( 1 ) 在流速传感器封装时表面所涂的硅油含有气泡( 抽真空不完全) ，气泡的胀 缩产生对悬臂梁产生应力而导致输出不为零。 ( 2 ) 悬臂梁根部的四个p 型金属氧化物半导体场效应晶体管的沟道电阻阻值 不完全相等，致使输出不为零。 ( 3 ) 硅悬臂梁的厚度不均，扩散的四个沟道电阻热耗散不均匀使阻值不完全 相等。 ( 4 ) 传感器表面的钝化膜导致的零漂。铝电极的厚度选择可以很好的解决零 漂问题洲。 图2 3 ( a ) 为惠斯通电桥结构，( b ) 以在线性区时p - m o s f e t 的沟道电阻作 为压敏电阻的等效电路。理想情况时，当未受到外界压力，图2 3 ( b ) 桥路输出 是零。若沟道电阻阻值不完全相等输出压差不为零。 由式( 2 1 1 ) 知，p m o s f e t 的沟道电阻为： 足= 丽币l 孓历 k ( 坛。一) ( 2 - 2 4 ) 由上式可知m o s f e t 的栅压和沟道电阻r 存在对应的关系。因此可通过 金属氧化物半导体场效应晶体管的栅压大小来调整沟道电阻的初始值，使输入信 号为零时惠斯通电桥的输出为零。 2 5 硅悬臂梁流速传感器的灵敏度温度补偿研究 传感器的灵敏度温度漂移是指：在温度变化的情况下，压阻系数也会随之改变 黑龙江大学硕士学位论文 ( 也会因浓度不同而不同) 。图2 4 是温度变化对压阻系数影响的关系曲线。温度 降低后压阻系数变大；而当温度升高后压阻系数变小。可确定流速传感器的灵敏 度温度系数是负的。如果表面浓度高些，上述发生的变化幅度小些，流速传感器 的灵敏度系数也要小些。但流速传感器掺杂浓度增加也会导致压阻系数的降低， 所以硅悬臂梁流速传感器应选择恰当的浓度【2 4 】，才能制作出高灵敏度的硅流速传 感器。 图2 - 4 压阻系数与温度的关系嗍 f i g 2 - 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i e z o r e s i s t i v ec o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r e 用串联二极管的方法进行来补偿灵敏度系数随温度产生的变化。传感器工作中 当温度减小，让惠斯通电桥的输出变小些，能达到补偿的目的，当温度增大，传 感器灵敏度降低，这时如果使惠斯通电桥的供电电源电压提高些，让惠斯通电桥 的输出变大些，可达到灵敏度补偿的目的。二极管具有温度负特性。图中2 - 5 所 示，将几个二极管串联在传感器电桥的电源供电回路中，当工作温度升高时，串 联的二极管的正向压降降低，惠斯通电桥输出变大，达到灵敏度补偿的目的。串 联二极管的数目可由下式确定： 以：l ( 2 - 2 5 ) q 。a t 式中a t 为温度的变化( ) ；a v 为电压的变化； q 为二极管正向压将的温度系数约为一2 m v c 。 硅二极管正向阈值电压为0 i v ，锗管正向阈值电压为0 3 v 。灵敏度补偿时， 则恒压源供电电压比理论值要大一些。而且二极管为整数倍，因此无法完全进行 第2 章硅悬臂粱流速传感器的工作原理分析 a i m i 补偿脚州。 源 图2 5 串联二极管补偿电路图2 - 6 三极管的灵敏度温度完全补偿电路 f i g 2 - 5s e n s i t i v i t yt e m p a t u r oc o m p e n s a t i o nf i g 2 - 6c , o l l l p e l l s a t i o r ls e n s i t i v i t y c i r c u i tu s i n gi ns e r i e s t e m p e r a t u r ec i r c u i tu s i n gt r a n s i s t o ri ns e r i e s 可采用倍增电路代替多个二极管串连电路，来进行灵敏度温度完全补偿原 理图如图2 6 所示，这种方法在理论上就可以实现对灵敏度温度漂移的完全补偿。 2 6 硅悬臂梁流速传感器的供电电压与输出分析 硅悬臂梁流速传感器的四个金属氧化物半导体场效应晶体管沟道电阻形成惠 斯通电桥，其中应力作用下沟道电阻阻值增加的两个电阻对接，而沟道电阻阻值 减小的两个电阻对接。惠斯通电桥可用恒压源供电和恒流源供电。 2 6 1 恒压源供电 如图2 7 所示，理想条件下四个沟道电阻的都为为r ，当有应力作用时，两个 电阻的阻值增加, d r ，另两个电阻阻值减小量为r 。受温度影响电阻都变化4 r r 。 则桥路的输出为 黑龙江大学硕士学位论文 = = i 蕊v ( 瓦r + a 而r + 丽a p v )一而鬲v ( 酉r - a 而r + 丽a p v ) ( 2 _ 2 6 ) 整理得 = y 百a 面r 上式说明电桥的输出受供电电压影响。 ( 2 - 2 7 ) 如果d r 丁不为零，则输出电压与z l r r 有关，也就是说间接的与温度变化有关， 存在非线性的关系，所以用恒压源对流速传感器供电时不能消除温度的影响刚。 一i v 图2 - 7 惠斯通电桥恒压源供电图 f i g 2 - 7t h ew h e a t s - t o n eb r i d g ev o l t a g e c u r r e n ts o u r c 宅p o w e rs u p p l y 2 6 2 恒流源供电 v 2 8 惠斯通电桥恒流源供电 f i g 2 8t h ew h e a t s t o n eb r i d g e s m c ep o w e rs u p p l yd i a g r a m 传感器的惠斯通电桥恒流源供电如图2 8 所示，理想条件下惠斯通电路的两条 桥臂的沟道电阻值均相等。则 心剪= 置t d c = 2 ( r + 屿) ( 2 2 8 ) 可得： 第2 章硅悬臂梁流速传感器的工作原理分析 l b c = l = ii c 2 - 2 9 , , t o e - g _ 1 舢一j 一 1 、， 圪= = 丢，( r + 凹+ 屿) 一丢j ( 足一譬+ 屿) ( 2 - 3 0 ) 整理之后，得 v o = j r 丝 ( 2 3 1 ) 则惠斯通电桥的输出与电阻的变化量，电源电流成正比。输出电压与恒流源 的电流相关。但是电桥的输出不受温度的影响，是优于恒压源供电的重要。不方 便的一点是每个传感器要求要求一个匹配的恒流源【2 4 】。 应当指出的是，上述沟道电阻是指p m o s f e t 沟道电阻与源和漏结串联的等 效电阻。 2 7 本章小结 本章介绍了物体的应力和应变，以及半导体压阻效应和压阻系数，并通过对金 属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理及公作区域特性的描述，阐明了硅悬臂 梁流速传感器的基本工作原理。同时还对硅悬臂梁流速传感器的零漂问题以及灵 敏度温度补偿问题的解决方法进行了说明，并对传感器的两种供电方式进行了比 较。 黑龙江大学硕士学位论文 - - 第3 章硅悬臂梁流速传感器的结构设计与分析 3 1 半导体材料选择 本文设计的硅悬臂梁流速传感器是基于压阻式压力传感器结构基础设计而成。 相同阻率的p 型半导体比n 型半导体具有更显著的压阻效应，则由p 型金属氧化 物半导体场效应晶体管的导电沟道代替压敏电阻的流速传感器比n 型金属氧化物 半导体场效应晶体管的流速传感器具有更加优异的灵敏度。因此选用n 型硅片作 为衬底，采用m e m s 与c o m s - r 艺在悬臂梁根部制作四个p - m o s f e t ，并用 p - m o s f e t 的沟道电阻构成的惠斯通电桥结构，当外加流体信号会产生应力作用 在硅悬臂梁上，惠斯通电桥桥路输出电压随外加流体流速( 压力) 变化而发生变 化，从而实现了将流速信号转化为与之有对应关系的电压信号。 3 2 硅悬臂梁厚度设计 考虑到可供选择的工艺条件和力敏传感器的量程指标，硅悬臂梁膜片的边长 选为3 m m x 3 m m ，即2 a = 3 m m 。为了减少非线性误差，硅杯膜片的厚度应满足小挠 度近似条件 2 4 1 。即 f i t a腼05i12(1-v2)pe i 。( 3 5 ) 将段j o o - 1 3 2 5 6 3 6 x 1 0 9 9 f f l n 2 ，捌1 5 c m ，p f l o o o g c m 2 ， i i = 0 3 5 代入( 3 5 ) 式得 i 3 6 1g p m ，所以我们选取t r - 4 5 t t m 。 3 3m o s f e t s 沟道p 掺杂区的设计 半导体的压阻效应公式为： 了a r = 石盯：o o - o + 万上矿上( 3 - 7 ) a o o o 。= 一= 石盯2 万上矿上 n o 式中d r 为电阻的变化量，彳r = r t - r o ； r d 为电阻的初始值。 由式( 2 1 3 ) 和式( 3 7 ) 得： 墨= r o ( 1 + n o ) = 而丽a ( 1 + # o u o - i - # o - d ( 3 - s ) 式中岛为变化后的电阻值。 为了保证足够大的压敏电阻，本文设计的m o s f e t s 压敏电桥均处于p 。掺杂区 内。选取 晶向的n 型硅片做衬底，基于硅的压阻效应，选用的n 型硅片的 电阻率为l o o f l c m ，沿 与 两个晶向利用离子注入的方法在 晶 向的n 型矩形硅膜片上的边缘处扩散出四个p 。掺杂区，p 。掺杂区表面掺杂浓度取 决于压阻系数随温度之间的关系。由前面2 5 节对图2 - 4 的分析可知，表面掺杂 浓度越高，压阻系数越小，但是表面掺杂浓度越高，压阻系数的温度系数也越小。 黑龙江大学硕士学位论文 因此，兼顾传感器的灵敏度和温度特性，选择p 掺杂区表面掺杂浓度为3 x 1 0 1 6 c m ， 结深选为3 9 m 。p 。掺杂区( m o s f e t s ) 取向如图3 一l 所 图3 1 方膜上沟道p - 掺杂区的分布图 f 9 3 - 1t h e ch a n n e lr e s i s t a n c e sd i a g r a mo ns q u a r ef i l m 3 4p - m o s f e t s 沟道位置的确定 本文提到的沟道电阻是指p m o s f e t 沟道电阻与源和漏结串联联的等效电 阻。将g ( 栅极) 与d ( 漏极) 相连，使沟道电阻做为压敏电阻，这样的话，栅 压就会保持一定，沟道截面积也保持一定，那么阻值就会不变。为了确定四个 p m o s f e t s 沟道电阻的位置，我们必须先讨论方形硅杯弹性膜片的应力分布情况。 加第一方案 方形硅杯膜片的挠度为口2 训 形= o 0 2 1 3 历- ( 工2 一口2 ) 2 0 2 一口2 ) 2 ( 3 - 9 ) 方形硅杯膜片力矩的平衡方程为队蚓 虬一d 睾+ v 争 ( 3 - 1 0 ) 式中地为方形硅膜径向力矩。 枷c 等+ y 争 协 第3 章硅悬臂粱流速传感器的结构设计