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多晶硅纳米膜加速度传感器结构研究

作　者: 白羽
导　师: 揣荣岩
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 加速度传感器多晶硅纳米膜压阻式超薄微梁谐振频率
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

论文简述了微电子机械系统(MEMS)技术的发展概况,分析了国内外硅微压阻式加速度传感器研究取得的成果。详细介绍了超薄微梁压阻式加速度传感器的工作原理和结构特性。针对应用于触发汽车安全保护气囊,量程为±100g的加速度传感器,进行了传感器芯片的结构设计和工艺流程设计。通过介绍压阻式加速度传感器的典型结构和目前国内外研究取得的成果,以及对压阻式、电容式、压电式三类加速度传感器的性能比较,总结出压阻式加速度传感器的优缺点。分析了压阻式加速度传感器灵敏度低、高温特性差和频率范围窄的原因。通过采用多晶硅纳米膜做敏感电阻和超薄微梁结构的优化设计,缓解了压阻式加速度传感器存在的灵敏度与温度特性以及灵敏度与谐振频率之间的矛盾,从而可使压阻式加速度传感器的性能得到大幅度提升。多晶硅纳米膜具有优越的压阻特性,其应变因子高、电阻温度系数小、应变因子温度系数小。所以本文选用多晶硅纳米薄膜制作敏感电阻,设计了300nm厚Si3N4-PolySi Nanofilm- Si3N4三层结构的微梁,在提高灵敏度的同时改善了温度特性。文中利用ANSYS有限元分析软件对加速度传感器进行了计算机模拟仿真,通过结构静力学仿真和模态分析,对器件结构进行了优化,并对其性能进行了分析。经过仿真得出所设计的超薄微梁结构输出灵敏度为0.65mv/g,谐振频率高达68kHz。表明该结构在保持了很高灵敏度的同时大幅度的提高了固有谐振频率,使两者的乘积较普通双端固支结构的压阻式加速度传感器提高了30余倍。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 MEMS硅微加速度传感器的现状  10-14
  1.2 几类加速度传感器的性能对比  14-15
  1.3 本文设计的加速度传感器的应用  15-16
  1.4 加速度传感器的主要设计指标  16-17
  1.5 本文的主要研究工作  17
  1.6 本章小结  17-18
第二章压阻式加速度传感器结构设计  18-31
  2.1 压阻式加速度传感器的缺点  18-19
  2.2 超薄微梁加速度传感器结构与工作原理  19-20
  2.3 超薄微梁加速度传感器结构设计  20-28
    2.3.1 质量块和主悬臂梁设计  20-21
    2.3.2 微梁设计  21-26
    2.3.3 微梁三层结构仿真  26-28
  2.4 加速度传感器的特性分析  28-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章应变电阻设计  31-37
  3.1 多晶硅纳米薄膜的特性  31-32
  3.2 应变电阻设计  32-34
    3.2.1 应变电阻尺寸设计  32-33
    3.2.2 电阻布局  33-34
  3.3 压阻全桥原理  34-36
  3.4 传感器输出灵敏度  36
  3.5 本章小结  36-37
第四章加速度传感器工艺流程设计  37-46
  4.1 加速度传感器芯片工艺流程  37-41
  4.2 多晶硅薄膜、氧化硅薄膜的制备  41-43
    4.2.1 低压化学气相淀积  41-42
    4.2.2 多晶硅纳米膜的制备  42
    4.2.3 氮化硅钝化膜的制备  42-43
  4.3 掺杂技术  43
  4.4 反应离子刻蚀  43-44
  4.5 深度反应离子刻蚀  44-45
  4.6 本章小结  45-46
第五章结论  46-47
参考文献  47-49
附录A有限元分析语句  49-59
附录B 加速度芯片版图  59-62
在学研究成果  62-63
致谢  63

多晶硅纳米膜加速度传感器结构研究

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