多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在MEMS(微机电系统)压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用了多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并给出这种传感器的设计方法。分析了牺牲层结构弹性膜片的应力分布对传感器灵敏度的影响,优化设计了量程为0~0.2 MPa多晶硅纳米膜压力传感器芯片的结构参数。有限元法仿真结果表明:在保证传感器灵敏度大于50 mV/(MPa.V)的前提下,零点温漂系数可小于1×10-3FS/℃;灵敏度温漂(无电路补偿)可小于1×10-3FS/℃.为高灵敏、低温漂、低成本的高温压力传感器集成化发展提供了一条可行途径。     

多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器

多晶硅纳米薄膜具有优越的应变灵敏特性和稳定的温度特性.为了使这种良好的压阻特性得到实际应用,文中给出了多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器的设计方法.根据多晶硅纳米薄膜压阻特性和硅杯腐蚀技术条件确定弹性膜片结构,并采用有限元分析方法对弹性膜片尺寸以及应变电阻分布进行了优化.依据优化设计结果试制了压力传感器芯片.实验表明该传感器工艺简单、高温特性好、灵敏度高.     

复合钝化多晶硅纳米膜应力分布仿真分析

多晶硅纳米薄膜具有优良的压阻特性,为提高其在传感器应用中的稳定性和可靠性,对这种薄膜的钝化层结构进行了研究.基于压力传感芯片的结构特点,建立了钝化层结构的有限元分析分析模型,给出了应力分布与SiO_2和Si_3N_4钝化层结构之间关系.结果表明:采用Si_3N_4-SiO_2-Si_3N_4复合钝化结构,适当控制各结构层厚度可有效降低热失配引起的内应力.从而给出了降低薄膜内应力的钝化方法,为多晶硅纳米薄膜在压阻式传感器上的应用提供了必要的技术支持.     

低压化学气相淀积多晶硅薄膜工艺研究

在研制器件过程中，多晶硅制备的工艺条件对其性能影响较大。讨论了低压化学气相淀积（LPCVD）关键材料多晶硅薄膜的基本原理，考察了工作压力、反应温度等对多晶硅薄膜淀积速率的影响，以及影响多晶硅薄膜质量的因素，提出了改进措施，优化了多晶硅制备工艺参数，制备了合格的多晶硅薄膜。     

耐高温压阻式压力传感器研究与进展

传统的硅扩散压阻式压力传感器用重掺杂4个P型硅应变电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式，采用PN结隔离，高温压阻式压力传感器取消了PlN结隔离，与半导体集成电路平面工艺兼容，符合传感器的发展方向。根据力敏材料的分类，分别介绍了多晶硅中高温压力传感器、SiC高温压力传感器和单晶硅SOI（silicon on insulator）高温压力传感器的基本工作原理和国内外的发展现状，重点论述了BESOI（bonding and etch-backSOI）、SMARTCUT和SIMOX（separation by implanted oxygen）技术的SOI晶片加工工艺。以及由此晶片微机械加工成的芯片封装的高温微型压力传感器部分特性，对此领域的发展作了展望。     

PMMA/ 石墨烯异质压力传感器及传感特性分析

石墨烯具有优异机电性能和超大比表面积,其显著压阻效应可应用于高性能压力传感,为探索下一代超灵敏传感器开 辟新方向。 目前在研石墨烯压力传感器存在石墨烯悬空破损严重、成品率低等难题,其根源在于,石墨烯除胶释放过程应力过 载。 本文提出以 PMMA/ 石墨烯复合异质薄膜替代单层石墨烯的压力传感器新方案,设计 COMS 兼容新工艺,可实现传感器规 模化制备,成品率接近 100% 。 测试表明,本文传感器灵敏度高达 7. 42×10 -5 / kPa,优于与已报道结果。 提取传感器压力测量精 度约为 2. 6% ~ 3. 5% ,比国外禁运高性能压力传感器精度(0. 05% ~ 0. 01% FS)差近 2 个数量级,其主因在于测量系统电噪声及 受工艺污染石墨烯本征电阻噪声。 当前石墨烯压力传感器研究的重点应聚焦精度指标的提高,而不是片面追求灵敏度指标。     

高温压力传感器现状与展望

论述了多晶硅、SOI（绝缘体上硅）、碳化硅、SOS（蓝宝石上硅）、石英、溅射合金薄膜、陶瓷厚膜和光等高温压力传感器的基本结构、工作原理、特点及研究现状，展望了压力传感器的未来。     

C/SiC复合材料表面高温瞬态温度传感器的研究

针对C/SiC复合材料制造的航空发动机热端部件瞬时表面温度监测困难的问题,研究了一种C/SiC复合材料瞬时表面温度测量方法。采用磁控溅射法结合电镀工艺在C/SiC复合材料表面沉积了Ni-Cr-ZrO_2复合过渡层,采用磁控溅射法在Ni-Cr-ZrO_2复合过渡层上依次制备了SiO_2绝缘膜、NiCr/NiSi薄膜热电偶和SiO_2保护膜。对不同厚度SiO_2绝缘膜的绝缘性能进行研究,结果表明3μm厚的SiO_2薄膜绝缘电阻值可达1.64×10~9Ω。对传感器静态性能的实验研究结果表明,在50～600℃,塞贝克系数为42.1μV/℃,非线性误差1.52%。用理论计算与实验结合的方式对传感器的动态性能进行了研究,结果表明,传感器的动态响应时间在微秒级,可实现瞬态温度测试。对传感器进行测温实验,结果表明传感器能满足室温～600℃范围内瞬态温度检测的需求。     

大气环境下多晶硅薄膜的疲劳性能

为评估多晶硅薄膜材料的加载可靠性,发展一种新型多晶硅薄膜疲劳性能测试实验系统,利用片外测试方法研究多晶硅薄膜在大气环境下的拉伸疲劳特性.实验试件采用MEMS(micro-electro-mechanical systems)工艺制造,具有相同的长度、厚度和不同的宽度.每个加载条件下重复10次实验,应用Weibull方法对疲劳实验数据进行处理,得到0.35 GPa～0.70 GPa应力幅值范围内5个应力水平下多晶硅薄膜拉伸疲劳的S-N曲线.研究表明,多晶硅薄膜的疲劳寿命随着交变载荷幅值的减小而增大,二者呈对数线性关系.该结果可以直接用于多晶硅薄膜材料MEMS器件的可靠性设计.     

超低温薄膜压力传感器的研究

超低温薄膜压力传感器可用于液氢、液氮、液氧等低温环境的压力测量,目前国内外超低温压力传感器产品的工作温度最低为-200 ℃.文中主要介绍了对超低温薄膜压力传感器的研究,通过薄膜压力传感器设计和工艺技术研究,成功研制出超低温薄膜压力传感器,并在-253(液氢)～+60 ℃温度环境下进行压力传感器静态性能测试,结果表明传感器性能指标优异,实现了超低温薄膜压力传感器技术突破.     

基于MZI光波导的MOEMS压力传感器

集成光学压力传感器利用幅度、相位、折射率分布、光程和光波极化方式的改变来感应外部压力.设计了基于MZI光波导的MOEMS压力传感器,探讨了工作原理,分析了弹性薄膜尺寸对应力的影响和波导中TE、TM模式的光对波导折射率的影响.通过设计弹性薄膜的尺寸(a=2 mm,b=1 mm,h=20 μm)和选用波长为1.31μm的单模激光,得到传感器的灵敏度为1.84×10~(-2) kPa,半波压力为85 kPa.     

高温压力传感器温度特性的芯片内补偿技术

本文在分析、测试多晶硅高温压力传感器温度特性的基础上 ,提出了一种新的改善传感器温度特性的措施。通过在压力传感器芯片上集成低阻值的多晶硅电阻网络与温度传感器 ,不仅可以很好的补偿传感器的零点温漂 ,也可以借助传感器信号处理单元 ,方便地实现对灵敏度温度系数的补偿。经补偿 ,传感器的零点温漂达到 1× 10 -4/℃ ,灵敏度温漂小于 -2× 10 -4/℃。实验表明 :该方法的补偿温区宽 ,通用性强 ,是高温压力传感器十分有效的温度补偿方法     

瑞士MICRONAS公司的压阻式压力传感器工艺简介

MICRONAS SENSOR为瑞士MICRONAS公司生产的压阻式压力传感器,量程从2kPa～200kPa。它采用silicon micromachine(硅微机械加工)工艺与集成电路生产工艺相结合,将一层长方形的薄膜作为机械弹性单元集成在硅片上,该膜片将压力转换成应力。为了能做出这层薄膜(见图),采用一种可控制的非匀质刻蚀工艺,在一块硅晶片上同     

压力传感器集成恒流源灵敏度温度系数补偿

针对超低量程微型压力传感器和表面微机械加工的多晶硅压力传感器在高精度测试时和宽温区使用时灵敏度温度系数补偿量大的特点,提出应用"集成恒流源网络"来补偿灵敏度温度系数的方法,推导了定量补偿的公式。灵敏度温度漂移补偿实验中,通过温度周期的调节标定,补偿后灵敏度温度系数绝对值容易达到10×10-6/℃~50×10-6/℃满量程输出,从而验证了该方法的可行性和实用性,表明用集成恒流源补偿压阻式压力传感器具有补偿量大、成本低、效果好、精度高、容易集成等优点,在器件制作中有很大的应用前景。     

电子束蒸发沉积碲锗铅薄膜的微结构和化学组分研究

为了探寻碲锗铅(Pb_(1-x)Ge_xTe)薄膜的最佳沉积方式,在硅基片上采用电子束蒸发沉积碲锗铅(Pb_(0.78)Ge_(0.22)Te)薄膜。使用X射线衍射(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)、能量散射X射线分析(EDAX)等手段对薄膜的微结构和化学配比特性进行了分析。发现碲锗铅薄膜为多晶结构,具有明显的择优取向,晶粒多为矩形,薄膜中未出现其它相关氧化物。与热蒸发膜层相比,电子束蒸发沉积的膜层有更为完善的晶体结构。     

脉冲压力条件下PVDF压电薄膜的动态响应特性

通过脉冲压力发生装置产生脉冲压力,研究PVDF压电薄膜的动态特性.使用PVDF压电薄膜制作一种测试脉冲压力的传感器,借助标准压阻传感器,测得PVDF压力传感器的灵敏度,计算出灵敏度的不确定度,并将PVDF压力传感器的线性度与压电传感器和压阻传感器作出对比,发现PVDF压力传感器输出稳定.通过比较PVDF压力传感器和标准的压阻传感器输出信号在时域和频域上的相关参数,证实PVDF压电薄膜具备测试动态压力的能力.     

基于表面微机械技术的压阻式加速度传感器

文中介绍了一种以表面微机械技术制造的带有片上静电自检测功能的压阻式加速度传感器.该芯片制造利用了表面微机械加工技术,以低应力氮化硅薄膜为结构材料,多晶硅作为压阻材料,引入了准LIGA的电镀铜工艺,实现了一款低成本、与IC制造工艺相兼容的压阻式加速度传感器.电镀的铜质量块使压阻输出获得了足够高的灵敏度.利用金属质量块和衬底形成的一对电极,实现了可片上检测器件是否正常工作的片上静电自检测功能.传感器测试结果表明,加速度输出灵敏度为25.1 μV/g,-3 dB频率带宽为1.3 kHz.     

多晶锗硅(Poly-Si0.7Ge0.3)薄膜的制备

采用超高真空CVD (UHV/CVD)系统制备了多晶锗硅poly-Si1-xGex薄膜,Raman测试确定了Ge的组份,研究了其电阻温度特性,电阻温度系数TCR可达-2.10%/℃ .     

硅基BiFe_(0.95)Mn_(0.05)O_3/Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_3/BiFe_(0.95)Mn_(0.05)O_3集成薄膜的结构及其铂电极电容器的性能

用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO_2/Si(001)基片上制备了BiFe_(0.95)Mn_(0.05)O_3/Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_3/BiFe_(0.95)Mn_(0.05)O_3(BFMO/PZT/BFMO)集成薄膜,采用X射线衍射仪分析了其物相结构;采用铁电测试仪考察了该集成薄膜与铂极构成的铁电电容器的性能。结果表明:该集成薄膜结晶较好,除BFMO、PZT及基片的衍射峰外没有其它衍射峰存在;当电场强度为0.7 MV·cm~(-1)时,Pt/BFMO/PZT/BFMO/Pt电容器的电滞回线对称性良好,剩余极化强度为17.9μC·cm~(-2),矫顽力为0.12 MV·cm~(-1);在电场强度为0.4 MV·cm~(-1)下测得的铁电电容器漏电流密度为2×10~(-5)A·cm~(-2),电容器在经过10~(10)次反转后未出现明显的疲劳现象。     

摩擦电式的大量程压力传感器设计

机器人和人工智能设备的应用无疑需要大量的传感器和传感器网络。常见的柔性压力传感器可以分类为压电式、压阻式、电容式、电阻式、摩擦电式等等。摩擦电式传感器是基于纳米摩擦发电机原理的近年已被大量研发的一种传感器。纳米摩擦发电机可以将环境中广泛的机械能收集起来,通过摩擦起电和静电感应现象的相互耦合将机械能转变为电能。在较高的压力下,由于材料的形变和接触面积的极限,传感器的输出信号不再因压力的增长而上升。因此,关于较高压强的摩擦电传感器研究相对较少。为了解决该问题引入了变刚度功能梯度材料概念,即向聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜中加入不同含量的碳化硅（SiC）微末改变薄膜的杨氏模量。利用逐层浇铸法和牺牲材料法制备了一种内部带有微孔结构的变刚度梯度PDMS薄膜。在检测动态压力的过程中,薄膜内部微孔因压力增加而压缩,从而提升介电常数来提高输出电压信号。相较于纯的PDMS薄膜,变刚度梯度薄膜作摩擦层的传感器量程可提升至500 kPa以上。