高性能mems压力传感器的研究

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1、隶。初大◆粤博士学位论文高性能MEMS压力传感器的研究11111111IIIIIilII1111IIiY2627119THEI也SEARCHOFHIGHPERFORMANCEPRESSURESENSORADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYHui—YangYuSupervisedbyMingQinSchoolofElectronicScienceandEngineeringSoutheastUniversity东南大学学

2、位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：盆边置嗌日期：边睦笙囿f壁d东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆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

3、内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：今耀远导师签名：日期：趁唾应里司摘要压力传感器广泛应用于工业控制、生物医疗、环境检测、航空航天等领域，具有巨大的市场需求。随着微电子机械系统(MEMS，MicroelectromechanicalSystem)技术的发展，人们对于压力传感器相关材料、工艺的研究不断深入，压力传感器的设计已经从传统的结构设计转向基于微机械加工工艺的微结构设计。硅压力传

4、感器的研究已经有40多年的历史，基本上与集成电路(IC)的发展同步，各种新型的微机械压力传感器不断涌现。与Ic的发展趋势类似，压力传感器结构也逐渐趋向于微型化、集成化、智能化。目前主要的传感器类型包括压阻式压力传感器，电容式压力传感器，谐振式压力传感器以及热压力传感器等。其中电容式和压阻式压力传感器是最常见的两种传感器类型。本文的主要工作是设计制备CMOS兼容的压力传感器。CMOS兼容工艺有很多优点：首先可以使器件获得较好的一致性。其次，可以实现与检测电路单片集成，减小寄生，稳定输出。CMOS兼容工艺是实现压力传感器批量化生产的必然要求。本论文的研究成

5、果主要可以概括为以下三个方面：(1)提出用于制备压阻式压力传感器的新型硅膜制备工艺和封腔工艺，该工艺方案与CMOS工艺兼容。文中基于外延封腔成膜工艺设计了一种新型压阻式压力传感器结构，建立了单一材料(硅)弹性膜的理论模型，进而对该模型进行了一些参数修正，建立了更加符合实际弹性膜的三层材料复合膜模型。在传感器设计过程中，借助ANSYS仿真软件对传感器弹性膜的挠度，应力以及器件的输出电压进行了计算。利用MEMS前处理和标准CMOS工艺制备了相关传感器样品，并进行了封装测试。从测试结果来看，这种压力传感器具有很高的灵敏度和线性度。对于硅膜边长为800pm和9

6、00p．m的结构，灵敏度可达6．781aV／hPa和9．52pV／hPa,非线性度分别为O．2％和2．8％。此外，文中对传感器重复性，回滞特性以及温度特性进行了测量，几种尺寸的传感器的重复性误差均小于1％，回滞误差小于2％，温漂小于0．02％／℃。结果表明，传感器的性能良好。(2)基于上述新型压力传感器制备工艺，提出了应用于微压(测压范围下限为511Pa)测量的压阻式压力传感器设计方案。利用硅膜上的金属铝层作为掩膜材料，刻蚀硅膜，形成应力集中结构。当硅膜处于微压作用时，硅梁的应力集中效应和复合膜中的残余压应力效应逐渐明显，使得压敏电阻的阻值随着气压的变

7、化迅速变化。文中对传感器的弹性膜建立了理论模型，借助ANSYS仿真软件对传感器弹性膜的挠度和应力进行分析，对作用于压阻的平均应力与硅梁的宽度和深度以及铝材料中残余应力的关系进行了仿真计算。利用上述工艺，并结合MEMS后处理(RIE刻蚀硅膜)对所设计的传感器进行了制备。对无应力集中的传感器结构(结构1)，带铝膜而未进行RIE硅槽刻蚀的传感器结构(结构2)及以铝膜作为掩膜刻蚀了7．5I_tm硅槽的传感器结构(结构3)进行了测试和对比。从测试结果来看，在5-400hPa压力范围内，结构2的灵敏度是结构l的1．5倍，结构3的灵敏度是结构1灵敏度的4倍。由此可见

8、，改进的结构方案可以大大提高压阻式压力传感器在微压下的灵敏度。(3)设计并加工出一种与CMOS