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多晶硅納米膜E+E壓力傳感器芯片
硅基壓阻式E+E壓力傳感器應用廣泛,在傳感器中具有十分重要的地位。該傳感器的發展方向是小型化、高靈敏度、良好溫度特性和集成化,研究表明多晶硅納米薄膜具有良好的壓阻特性,并較好地應用于體硅E+E壓力傳感器。但該材料現有的的壓阻系數算法理論推導存在一定欠缺,且該材料的應用范圍亟待擴大。

多晶硅納米膜E+E壓力傳感器芯片
為了改進多晶硅的壓阻系數算法,提出了一種p型多晶硅納米薄膜壓阻系數算法,該算法計算的應變因子(GF)與測試結果具有良好的*性。并且,為了有效利用多晶硅納米薄膜的優良壓阻特性,設計研制了一種以多晶硅納米薄膜為力敏電阻的犧牲層壓阻式E+E壓力傳感器芯片,該傳感器芯片具有體積小、滿量程輸出高、過載能力強和易集成的優點,應用前景良好。隧道壓阻理論利用量子隧道效應和能帶退耦分裂理論,闡明了隧道壓阻效應的形成機理,在此基礎上建立了多晶硅壓阻特性的新模型——隧道壓阻模型(TPM),該理論較好解釋了重摻雜p型多晶硅納米薄膜應變因子較高的現象。但是,現有的基于該理論的壓阻系數算法以p型單晶硅壓阻實測數據擬合曲線為基礎求取壓阻系數與摻雜雜質濃度關系模型,且只給出壓阻系數π44模型。因此,該算法需要改進。根據硅價帶和空穴電導有效質量隨應力改變的機理,采用多晶硅隧道壓阻模型,提出了一種多晶硅納米薄膜壓阻系數算法。該算法給出了p型多晶硅納米薄膜壓阻系數與摻雜濃度關系式,其中包括基礎壓阻系數π11、π12和π44,并可以依此求取任意比例晶向排列的多晶硅應變因子。依據該算法繪制了多晶硅納米薄膜應變因子與摻雜濃度關系曲線,與測試數據對比具有較好的*性。表明提出的壓阻系數算法合理地解釋了多晶硅納米薄膜應變因子與摻雜濃度關系,豐富了壓阻理論。為了充分發揮多晶硅納米薄膜壓阻特性,以及犧牲層傳感器的體積小、易集成的優點,研制了一種以p型多晶硅納米薄膜為力敏電阻的犧牲層壓阻式E+E壓力傳感器芯片,該傳感器芯片以硅為襯底,一個臺階型多晶硅膜片與襯底構成真空腔,密封的刻蝕孔排列在膜片四周,膜片上的四個力敏電阻用金屬連接構成惠斯通電橋,將壓力轉換為電壓輸出。采用有限元分析軟件,使用大變形和非線性接觸方法對結構進行優化設計。利用多晶硅具有較高的抗拉強度的特點,給出了根據量程設計多晶硅膜片尺寸的方法,通過調整腔體高度提高了傳感器的過載能力。依據傳感器結構設計了傳感器的工藝步驟。在工藝步驟中,使用等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術淀積二氧化硅,采用低壓化學氣相淀積(LPCVD)技術淀積多晶硅,使用濕法腐蝕技術去掉犧牲層,采用等離子體刻蝕技術制備腐蝕孔,采用離子注入技術摻雜硼雜質,采用濺射技術淀積金屬,采用退火工藝減少多晶硅膜片內應力和激活雜質,采用叔丁醇冷卻干燥方法防止膜片與腔體底部黏附。依據設計結構和工藝步驟,試制了四批傳感器樣片,其中*批樣片因漏氣而失效,通過改進工藝第二批樣片解決了漏氣問題,但由于無壓力時膜片與襯底黏附,傳感器靈敏度很低。調整工藝方法試制了第三批樣片,但由于使用低濃度腐蝕液導致犧牲層沒有腐蝕干凈。在調整腐蝕液濃度后試制的第四批樣品達到設計要求。量程為2.5MPa的傳感器樣片測試結果表明:在25℃,5V電壓源供電的滿量程輸出為362mV,非線性為0.21%FS,重復性為0.22%FS,遲滯為0.22%FS,過載壓力為18MPa;在-55℃~150℃范圍內,熱零點漂移為﹣0.01%FS/℃,熱靈敏度漂移為﹣0.1%FS/℃。與已報道的犧牲層壓阻式E+E壓力傳感器比較,研制的傳感器量程和工作溫度范圍寬,滿量程輸出高,線性和遲滯性能好,但熱靈敏度漂移稍差。與當前較有名傳感器企業生產的相近量程硅基E+E壓力傳感器比較,研制的傳感器具有體積小、滿量程輸出高和過載能力強的優點。

多晶硅納米膜E+E壓力傳感器芯片
具體地說,試制傳感器樣品實現了滿量程輸出擴大3倍以上,且具有良好的線性性能;試制傳感器實現了過載能力是滿量程的7倍以上,與典型的2~5倍滿量程過載能力相比,過載能力明顯提高;但重復性和熱靈敏度漂移性能稍差,需要在進一步研究中改進。