基于SIMOX技术的高温压力传感器研制

应用氧离子注入 (Separation by Implantation of Oxygen) SIMOX技术 ,制作适合于高温环境条件下的固态压阻式硅隔离 (SOI)压力敏感元件。采用了一种新型梁膜结合封装工艺 ,有效地解决了被测压力高温冲击问题 ,可应用于航空、航天发动机等恶劣环境下的压力测量。     

谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装

为了提高传感器的品质因数,有效保护谐振器,提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)-玻璃阳极键合工艺的谐振式微电子机械系统(MEMS)压力传感器的制作及真空封装方法。该方法采用反应离子深刻蚀技术(DRIE),分别在SOI晶圆的低电阻率器件层和基底层上制作H型谐振梁与压力敏感膜;然后,通过氢氟酸缓冲液腐蚀SOI晶圆的二氧化硅层释放可动结构。最后,利用精密机械加工技术在Pyrex玻璃圆片上制作空腔和电连接通孔,通过硅-玻璃阳极键合实现谐振梁的圆片级真空封装和电连接,成功地将谐振器封装在真空参考腔中。对传感器的性能测试表明:该真空封装方案简单有效,封装气密性良好;传感器在10kPa~110kPa的差分检测灵敏度约为10.66 Hz/hPa,线性相关系数为0.99999 542。     

一种集成三轴加速度、压力、温度的硅微传感器

针对恶劣环境和严格空间体积限制条件下的多参数测量问题,利用绝缘体上硅（SOI）材料,采用微型机械电子系统（MEMS）技术,研制了一种可以同时测量三轴加速度、绝对压力、温度参数的单片集成硅微传感器,其中加速度、绝对压力传感器基于掺杂硅压阻效应,温度传感器基于掺杂硅电阻温度效应.结合芯片中各传感器的工作原理,用有限元方法对设计的结构进行了仿真,确定集成传感器的电阻分布和结构参数.根据确定的集成传感器结构,制定了相应的制备工艺步骤.最后给出了集成传感器芯片的性能测试结果.     

通用型高温压阻式压力传感器研究

针对石油化工等领域高温下压力测量的要求,设计了压阻式压力传感器硅芯片,采用SIMOX 技术SOI晶片,在微加工平台上制作了硅芯片.对不同的用户工况设计了装配结构,采用耐高温封装工艺,研究了耐高温微型压力传感器封装材料匹配与热应力消除技术,解决了内外引线的技术难点.从低成本、易操作性出发,设计了温度系数补偿电路,研制了精度高、稳定性佳的耐高温通用压力传感器.     

高速低温两相机械密封膜压特性研究

为研究高速、低温涡轮泵机械密封在两相状态下的膜压特性,基于均相流理论,建立包含热效应、离心惯性效应以及实际气体效应的机械密封流体膜轴对称相变模型,以液氧为密封介质分析离心惯性项对流体膜压力和相变的影响机制,研究工况参数对膜压系数的影响规律。结果表明:考虑离心惯性项时,外压式机械密封膜压有所降低,相变程度有所增大;等温条件下,随介质温度升高,膜压系数存在不稳定峰值,非等温条件时,介质温度的轻微变化将影响密封运行稳定;当介质温度大于90 K时,介质压力的增大虽使膜压系数减小,但也使密封稳定性增强;膜厚为2. 0μm时存在膜压系数最大值,密封承载力较大但密封稳定性较差。     

TC17钛合金在高温与高应变率下的动态压缩力学行为研究

采用微型分离式霍普金森压杆实验系统对TC17钛合金在高温、高应变率条件下的动态力学行为进行研究,测试材料的应力应变行为,分析实验温度、应变率和应变对其动态力学性能的影响规律。实验结果表明：当应变率为3000s-1时,TC17钛合金表现出明显的应变硬化效应,但在高温、高应变率条件下其应变硬化效应明显减弱;TC17钛合金具有应变率强化效应,但在温度升高过程中其应变率敏感性随着实验温度的升高而先减小后增大;实验温度对TC17钛合金的动态压缩力学行为的影响非常明显,温度敏感性因子随温度的升高大幅度增大。     

介观压阻效应及器件

介绍GaAs/AlAs/InGaAs双势垒超晶格薄膜结构的介观压阻效应以及几种基于此效应的新型传感器件。阐述介观压阻效应的四个过程,结合空气桥结构和欧姆接触技术,在[001]晶向半绝缘GaAs衬底上加工出来了GaAs/AlAs/InGaAs共振隧穿结构(Resonant tunneling structures, RTS),并对其进行了加压试验研究,发现其介观压阻灵敏度达到2.54×10–9 Pa–1,是硅压阻灵敏度的一个数量级以上。采用控制孔技术成功加工出了基于RTS的圆膜压力、四梁加速度和仿生矢量水声三种新型纳机电器件,并分别对其进行了压力罐、振动台和水下驻波测试。结果表明圆膜压力传感器具有较好的力电耦合特性;四梁加速度计的压阻灵敏度随RTS两端偏置电压可调,并在微分负阻区具有最大压阻灵敏度;矢量水听器具有良好的“8”字余弦指向性,灵敏度在1 000 Hz时达到184.6 dB,可以实现水平面内的水下声信号探测。     

基于SOI晶圆材料的硅微压传感器

为解决硅微压传感器制作过程中存在的问题,以SOI晶圆材料为基础,使用有限元方法优化设计岛-膜型1kPa压力敏感结构,采用MEMS工艺完成传感器芯片制作,并对封装后的传感器进行了测试。测试结果表明,传感器输出灵敏度大于60 mV/kPa,非线性小于0.1%FS,精度小于0.5%FS,器件具有较好的性能指标。     

SOI高温压力传感器研究进展及应用

常规扩散硅压阻式压力传感器依靠PN结实现敏感电阻间的电学隔离,基于单晶硅良好的弹性形变性能和显著的压阻效应进行压力测试,以其特有的体积小、灵敏度高、工艺成熟等优点,成为应用最广泛的压力传感器。不过,当工作温度超过125℃时,电阻与衬底间的PN结漏电加剧,使传感器特性严重恶化以至失效,不能准确测量压力。因此,把能在高于125℃条件下工作的硅压阻式压力传感器,称为扩散硅高温压力传感器。     

单轴加载下钨中裂纹扩展机理的研究

应用分子动力学的方法探究了单晶钨在单轴加载下的裂纹扩展行为。分析了温度和晶向对裂纹扩展的影响。研究结果表明:在不同温度下,[001]方向上的裂纹在扩展时尖端主要的变形机制为滑移带,位错和钝化效应。随着温度的升高,裂纹扩展时屈服强度是逐渐降低的。在300 K和500 K时裂纹经过屈服变形之后呈现出快速扩展,而在700 K和900 K时裂纹出现了二次屈服现象。除此之外,建立了不同晶向的裂纹模型。研究结果表明:裂纹沿[111]方向拉伸时屈服强度最大,[110]次之,[001]最小,而且裂纹在[110]晶向上的平均应力-应变曲线出现了屈服平台,说明具有良好塑性和抗裂纹扩展特性,其裂纹萌发时主要的塑性为滑移带。而[111]方向上的裂纹在扩展过程中主要塑性为位错,然后裂纹以钝化空洞的形式扩展。由此得出不同晶向的裂纹在扩展时尖端微观结构的演变出现了差异。     

A monolithic silicon multi-sensor for measuring three-axis acceleration,pressure and temperature

A monolithic multi-sensor for small unmanned aerial vehicles is presented in the paper; it consists of a three-axis piezoresistive accelerometer, a piezoresistive absolute pressure sensor and a silicon thermistor temperature sensor. The accelerometer is designed with four silicon beams supporting the seismic mass and appropriate piezoresistors arrangement to detect three-axis acceleration and greatly reduce cross-axis sensitivities. For minimizing the effect of stress on the temperature sensor, the thermistor is designed along [100] and [010] crystal orientation. The multi-sensor is fabricated on SOI wafers by using MEMS bulk-micromachining technology. Some effective micromachining steps are applied in the fabrication. The two-step wet anisotropic etching process on the backside of the wafers can form the whole backside shape of the multi-sensor. The metal electrode sputtered on the Pyrex glass can avoid sticking between the Pyrex glass and the seismic mass in the process of anodic bonding. The die size of the multi-sensor is 4×6×0.9mm³. The measured results show that the multi-sensor is appropriate for its application field.     

Fabrication of ultrathin and highly uniform silicon on insulator by numerically controlled plasma chemical vaporization machining

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) wafer operate faster and at a lower power than those fabricated on a bulk silicon wafer. Scaling down, which improves their performances, demands thinner SOI wafers. In this article, improvement on the thinning of SOI wafers by numerically controlled plasma chemical vaporization machining (PCVM) is described. PCVM is a gas-phase chemical etching method in which reactive species generated in atmospheric-pressure plasma are used. Some factors affecting uniformity are investigated and methods for improvements are presented. As a result of thinning a commercial 8 in. SOI wafer, the initial SOI layer thickness of 97.5+/-4.7 nm was successfully thinned and made uniform at 7.5+/-1.5 nm.     

新型侧壁绝缘体硅微机械工艺

介绍了一种全新的体硅微机械工艺，可以取代SOI硅片而直接在普通硅片上对不同的侧壁电学导通部分进行绝缘。该工艺在DRIE形成的绝缘深沟内进行SiO2绝缘薄膜填充，并用填充后形成的SiO2条对器件侧壁进行电学绝缘。对于该工艺的原理、可能出现的问题、制作流程的摸索等进行了探讨，并且给出使用该工艺实现的一个带自检驱动功能的加速度计。该加速度计采用压阻原理，器件的压阻敏感电阻部分，通过在侧面进行半导体杂质扩散而形成。     

A complementary-metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor-compatible atomic force microscopy tip fabrication process and integrated atomic force microscopy cantilevers fabricated with this process

A complementary-metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor-compatible process for the fabrication of atomic force microscopy cantilevers with integrated tips has been developed. For the first time, the tips are fabricated after the completion of the regular complementary metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor fabrication process sequence. On-chip circuit components, such as piezoresistive deflection sensors, deflection actuators, and amplifiers, are fabricated on the mirror-polished surface of the wafer, ensuring optimal performance. The tip fabrication process is based on anisotropic silicon etching at low temperature using a tetramethylammonium hydroxide solution. The anisotropic etching process has been optimized to ensure process controllability. Using the described process, complementary-metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor-based cantilevers with piezoresistive deflection sensors and integrated tips have been successfully fabricated. Force-distance curves and scanning images in constant-force mode have been recorded.     

Advanced temperature compensation for piezoresistive sensors based on crystallographic orientation

We describe a highly effective method of reducing thermal sensitivity in piezoresistive sensors, in particular silicon cantilevers, by taking advantage of the dependence of the piezoresistive coefficient of silicon on crystallographic orientation. Two similar strain-sensing elements are used, positioned at 45 degrees to each other: One is set along a crystalline axis associated with a maximum piezoresistive coefficient to produce the displacement signal, while the other is set along an axis of the vanishing coefficient to produce the reference signal. Unlike other approaches, both sensing elements are coupled to the same cantilever body, maximizing thermal equilibration. Measurements show at least one order of magnitude improvement in thermal disturbance rejection over conventional approaches using uncoupled resistors.     

应用双埋层SOI工艺制备低g值微惯性开关

采用双埋层SOI( Silicon-On- Insulator)材料,结合KOH腐蚀工艺、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺、阳极键合以及喷雾式涂胶工艺,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关.利用二氧化硅KOH腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点,平面矩形螺旋梁厚度的精度为±0.46 μm.分析了双埋层SO1材料的电学特性,采用等电位技术,实现了双埋层SOI与上下两层硼硅玻璃的阳极键合.采用玻璃无掩模湿法腐蚀技术,在玻璃封盖底部设计制作了大小为200 μm×200μm的防粘连凸台,解决了芯片在清洗干燥过程中的粘连问题.采用ICP刻蚀用硅衬片方法,解决了ICP刻蚀工艺中高温导致的金硅共晶合金问题.实验验证显示,提出的方法效果较好,芯片成品率得到较大提高,为大批量地研制低g值微惯性开关提供了可靠的工艺基础.     

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。     

Design, fabrication and experiment of a MEMS piezoresistive high-g accelerometer

High-g accelerometers are widely used in explosion and shock measurement. This paper describes a MEMS piezoresistive high-g accelerometer whose range is more than 50000g. It is designed on the basis of silicon on insulator (SOI) solid piezoresistive chip. The chip has a structure where both ends of the beam are fixed. Through the stress analysis and mode analysis of the accelerometer, the detailed parameters of the structure are established. The experimental results obtained from the drop hammer shock machine test and live-fire test show good properties of the accelerometer such as good output characteristic, repeatability and fast response speed. Therefore, the accelerometer in this paper meets the requirement of explosion and shock measurement basically.     

压阻式小量程SOI加速度敏感芯片设计与分析

为满足建筑物振动监测等应用对小加速度信号测量的需求,采用带有微梁和支撑梁的敏感结构设计了一种压阻式小量程加速度传感器芯片,为弥补压阻式传感器测量小信号精度低这一不足,基于SOI技术设计了单晶硅应变电阻。利用有限元法对敏感芯片结构进行了仿真分析,给出了兼顾灵敏度与固有频率这两个技术指标的设计方法,以此确定了敏感芯片的尺寸参数,并分析了结构的响应特性。仿真结果表明,所设计量程为0.1g的加速度敏感芯片,其满量程输出约为34 mV,固有频率约264.3 Hz,交叉耦合为1.4%,过载可达87倍量程。     

内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装研究

针对现有的圆片级真空封装存在检测难、易泄漏等问题,提出了内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装方法。研制了用于圆片级真空封装导线互连的硅通孔,探讨了玻璃盖板与硅圆片之间阳极键合工艺与硅圆片与硅圆片之间的金硅共晶键合工艺,研制了用于检测封装壳体内部真空度的皮拉尼计; 研制了内置皮拉尼计的4英寸硅通孔圆片级真空封装,研制了低温激活非蒸散型吸气剂。实验研究表明,该研究解决了长时间保持真空度的问题。