磷摻雜納米硅薄膜壓阻式壓力傳感器芯片研究.pdf

1、自20世紀50年代,半導體硅的壓阻特性被發(fā)現(xiàn)以來,硅基壓力傳感器就被廣泛研究,而壓阻式硅壓力傳感器更是很早就被商品化并大量使用。測控技術的發(fā)展,要求壓力傳感器的量程越來越小,分辨率越來越高。壓阻式硅微壓力傳感器的發(fā)展主要圍繞感壓元件和轉換元件展開:一方面是對感壓薄膜的結構和加工技術進行改進；另一方面是提高力敏電阻的精確性。傳感器的靈敏度與壓敏電阻的壓阻特性直接相關,因此有必要選擇高量級的新型材料作為壓敏電阻。
　　 納米硅薄膜(

2、nc-Si:H)是一種結構新穎的半導體硅薄膜材料,它由各占薄膜體積約50％的細微硅晶粒(晶粒大小2-10nm)和無序晶間界面組成。這種新穎的結構特征使其具有諸多優(yōu)良的光、電和力學性能。本論文旨在利用其良好的壓敏特性開發(fā)高靈敏度壓阻式微壓力傳感器,并對其芯片結構進行了設計及仿真分析。
　　 首先,采用射頻等離子化學氣相沉積方法,制備了不同參數(shù)的磷摻雜納米硅薄膜。借助原子力顯微鏡和激光拉曼光譜對薄膜的形貌和微結構進行了測試,并分析了

3、不同工藝參數(shù)對薄膜微結構的影響。研究發(fā)現(xiàn),射頻功率對薄膜的表面形貌及表面粗糙度有較大影響,存在一個最佳射頻功率值；薄膜的襯底溫度對薄膜晶態(tài)比和平均晶粒大小有直接影響；隨著磷摻雜濃度的增加,薄膜的拉曼譜峰位出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象,而且薄膜的平均晶粒尺寸逐漸減小。
　　 其次,研究了單晶硅和多晶硅的壓阻特性,并分析了其產生壓阻效應的因為。使用四點彎矩結構對磷摻雜納米硅薄膜的壓阻特性進行了實驗測試,測得了薄膜應變與電阻變化之間的關系,并得

4、到了不同磷摻雜比例時薄膜的應變系數(shù),而且對納米硅薄膜的電導機制及其產生壓阻效應的因為進行了分析。
　　 最后,對傳感器彈性膜片雙島方膜結構的受力情況進行了分析。采用有限元仿真軟件對彈性膜片的應力進行了分析,結果表明,彈性膜上應力集中于中央溝槽和邊緣溝槽區(qū)域,且在靠近中心線附近的位置處取得極值；分析了不同島間距對芯片應力大小的影響。最后綜合薄膜方塊阻值、單位面積功率損耗、加工工藝可操作性等因素,確定了壓敏電阻條的參數(shù)及結構,并設計