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《大连理工大学》 2007年
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微热板真空传感器及其单芯片集成技术的研究

张凤田  
【摘要】: 热传导真空传感器广泛用于各种真空设备中,采用微机械加工技术微型化后可用于微电子封装泄漏检测、集成真空计、便携式气压测试仪等领域,因此微型热传导真空传感器成为MEMS领域的重要研究方向。本文主要从设计理论、制造工艺、性能测试以及与电路单芯片集成等方面对基于微热板的热传导真空传感器进行了系统的研究。 设计了两种加热电阻分别为多晶硅或铂金的微热板真空传感器,用经典传热理论与稀薄气体动力学,建立了微热板真空传感器的传热模型,利用该模型分析了微热板的传热特性以及微热板工作电流、工作温度、结构尺寸对传感器响应特性的影响,并用有限元法模拟了微热板的温度分布与热变形。结果表明,微热板支撑桥上的温度分布以及微热板中间区域通过支撑桥导热、气体导热散失的热量随气压变化而变化;设计的两种微热板真空传感器中间区域温度分布较均匀,热变形较小。 对两种微热板真空传感器的表面微机械加工技术进行了研究。根据实际工艺条件制定了合理的工艺流程,讨论并解决了其中牺牲层腐蚀、腐蚀窗口刻蚀、牺牲层台阶平坦化、结构层介质薄膜残余应力控制等若干关键工艺。多晶硅或铂金加热电阻的微热板真空传感器分别采用0.5μm厚的多晶硅或铝作为牺牲层,牺牲层腐蚀分别采用不腐蚀Al压焊盘的TMAH腐蚀液或不腐蚀Pt/Ti的铝腐蚀液;退火温度、时间对微热板中的残余应力影响很大,两种传感器采用不同的退火工艺,较好的解决了微热板的残余变形问题,保证了较高的加工成品率。 开展了微热板真空传感器测试技术的研究。建立了由真空系统、测试电路、计算机采集控制部分组成的传感器自动测试系统,测试了传感器在恒电流、恒电压、恒温三种工作模式下的响应特性。结果表明,恒电流与恒电压工作模式下,在1~5×10~4pa气压范围内传感器较灵敏,但气压更高时由于工作温度太低,传感器灵敏度很低,在1~10~5Pa气压范围内传感器输出电压摆幅仅为几百毫伏;恒温工作模式下传感器输出电压随气压增加而增加,输出摆幅达到几伏,在1~10~5Pa范围内都有较高灵敏度。 进行了微热板真空传感器与电路单芯片集成技术的初步研究。制定了基于Post-IC的集成微热板真空传感器芯片的工艺流程。设计了工作在恒电压模式、集成有多晶硅加热电阻的微热板真空传感器、CMOS运算放大器的集成微传感器芯片,并以多晶圆代工的形式实现了该芯片的加工,芯片测试结果显示该芯片能够用于气压测量,为集成微热板真空传感器的深入研究奠定了基础。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP212

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 汪家奇;集成皮拉尼真空传感器系统研究[D];大连理工大学;2010年
2 李金凤;用于单片集成传感器的低功耗模数转换器研究与实现[D];大连理工大学;2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 邓俊泳,冯勇建;聚酰亚胺在MEMS中的特性研究及应用[J];微纳电子技术;2003年04期
2 余隽,唐祯安,陈正豪,魏广芬,王立鼎,闫桂贞;基于硅微加工工艺的微热板传热分析[J];半导体学报;2005年01期
3 陈德勇,崔大付,王利,韩泾鸿;微结构谐振梁式压力传感器研究[J];传感技术学报;2000年04期
4 江建明,娄利飞,汪家友,杨银堂;单片集成MEMS技术[J];传感器技术;2005年03期
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【共引文献】
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9 杨一博;尹文生;王春洪;朱煜;张明超;;高温氧化扩散炉温控系统设计[J];半导体技术;2009年01期
10 刘兴辉;刘通;;1N4626型齐纳二极管的低噪声关键技术研究[J];半导体技术;2009年05期
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4 江轩;;半导体行业用靶材及蒸发源材料[A];集成电路配套材料研讨会及参展资料汇编[C];2004年
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1 陈文昱;浸没式光刻中浸液控制单元的液体供给及密封研究[D];浙江大学;2010年
2 孙禹辉;硅片化学机械抛光中材料去除非均匀性研究[D];大连理工大学;2011年
3 闻心怡;铁电存储器关键工艺与器件建模研究[D];华中科技大学;2011年
4 刘秉策;ZnO/Si异质结构晶界行为及其载流子输运机制研究[D];中国科学技术大学;2011年
5 刘少军;人工肾小球滤过膜的初步研究[D];复旦大学;2010年
6 吕良;MEMS汽车传感器设计关键技术的研究[D];北京邮电大学;2011年
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8 张磊;有机电致发光显示屏的制备及其漏电流研究[D];电子科技大学;2010年
9 孙丽波;微板多物理场耦合非线性动力学研究[D];燕山大学;2011年
10 朱祥龙;300mm硅片超精密磨床设计与开发[D];大连理工大学;2011年
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1 陈庆友;稀土掺杂新型镀膜材料的研究[D];长春理工大学;2010年
2 张秀芳;硅、锗切割片的损伤层研究[D];浙江理工大学;2010年
3 赵海轩;超精密磨削硅片变形规律的研究[D];大连理工大学;2010年
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7 张成义;气动辅助变轨的轨道模拟[D];浙江大学;2010年
8 姚营营;基于MSP430单片机的环境监测仪设计[D];大连交通大学;2010年
9 赵金余;光刻机浸没单元的流场检测与结构优化[D];浙江大学;2011年
10 巴静;基于PVDF的光刻机流场压力检测方法的研究[D];浙江大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 余隽,唐祯安,陈正豪,魏广芬,王立鼎,闫桂贞;基于硅微加工工艺的微热板传热分析[J];半导体学报;2005年01期
2 张凤田,唐祯安,余隽,金仁成,高仁璟,江胜峰;微热板式低气压传感器的研制[J];半导体学报;2005年07期
3 陈雷;赵元富;高德远;文武;王宗民;朱小飞;;一种16位音频ΣΔA/D转换器(英文)[J];半导体学报;2006年07期
4 陈建球;任俊彦;许俊;王照钢;李怡然;;一个用于GSM的80dB动态范围Σ-Δ调制器[J];半导体学报;2007年02期
5 曹楹;任腾龙;洪志良;;一种采用斩波稳零技术的16位,96kHz带宽Σ-△ AD转换器(英文)[J];半导体学报;2007年08期
6 杨培;殷秀梅;杨华中;;80dB动态范围,用于低中频结构GSM接收机的ΣΔ调制器(英文)[J];半导体学报;2008年02期
7 张凤田;唐祯安;汪家奇;余隽;;单片集成CMOS电阻真空传感器(英文)[J];半导体学报;2008年06期
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9 周吉龙;陈肯乐;张锦文;金玉丰;;微型MEMS皮拉尼计研究[J];传感技术学报;2008年03期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 徐栋麟;双通道带通∑△模数调制器设计方法[D];复旦大学;2004年
2 易婷;高性能∑△模数转换器设计[D];复旦大学;2002年
3 魏广芬;基于微热板式气体传感器的混合气体检测及分析[D];大连理工大学;2006年
4 余隽;微量热计的研制及微纳米薄膜比热测试与分析[D];大连理工大学;2006年
5 程剑平;带通Σ-Δ调制器的研究和设计[D];东南大学;2006年
6 邹睿;用于射频基带处理∑△调制器的设计与研究[D];复旦大学;2005年
7 李丹;音频信号的过采样处理及转换[D];复旦大学;2007年
8 陈雷;高精度∑△ADC的研究[D];西北工业大学;2006年
9 赵晓锋;纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs压/磁多功能传感器研究[D];黑龙江大学;2008年
10 马绍宇;高性能、低功耗∑△模数转换器的研究与实现[D];浙江大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 王娜;电荷再分配SAR ADC设计中高精度的实现[D];四川大学;2006年
2 尚晓丹;逐次逼近ADC的算法研究[D];四川大学;2006年
3 张佳;一种16位SAR ADC的设计[D];四川大学;2006年
4 陈涛;微气压传感器测试系统的自动控制及其测试[D];大连理工大学;2006年
5 周文婷;数字CMOS工艺下10位580kSps逐次逼近型模数转换器设计[D];上海交通大学;2007年
6 郝乐;基于低电压高精度12-bit SAR ADC设计[D];北京交通大学;2008年
7 张军;基于CMOS工艺的10位逐次逼近型模数转换器设计[D];西安电子科技大学;2008年
8 唐重林;甚低功耗SAR ADC的结构设计与控制技术[D];西安电子科技大学;2008年
9 马晓旭;嵌入式多通路10位SAR ADC设计[D];哈尔滨工业大学;2007年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 孙亚男;软焊料键合实现MEMS晶圆级真空封装[D];华中科技大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 邓俊泳,冯勇建;聚酰亚胺在MEMS中的特性研究及应用[J];微纳电子技术;2003年04期
2 夏善红,刘加,陈绍凤,韩泾鸿,崔大付;新型真空微电子压力传感器特性研究和实验制作[J];半导体学报;1997年12期
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5 叶轻舟;;采用全有源器件的电压模式双二阶滤波器[A];第十六届电工理论学术年会论文集[C];2004年
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7 刘正山;邓长明;张志勇;宿小辉;程昶;李梅;;用于化合物半导体探测器的小型电荷灵敏前置放大器[A];第8届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(一)[C];1996年
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9 杨院生;惠希东;陈晓明;童文辉;朱仕学;胡壮麒;;激光表面熔凝过程中的热传导和溶质再分配[A];2000年材料科学与工程新进展(下)——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张凤田;微热板真空传感器及其单芯片集成技术的研究[D];大连理工大学;2007年
2 汪家奇;集成皮拉尼真空传感器系统研究[D];大连理工大学;2010年
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8 姜任秋;快速瞬态热质扩散过程非经典效应研究[D];哈尔滨工程大学;2002年
9 孙强;玻璃压制成形工艺的数值模拟方法[D];华中科技大学;2010年
10 张东辉;多孔介质扩散、导热、渗流分形模型的研究[D];东南大学;2003年
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1 操礼程;低压、低功耗CMOS模数转换器(ADC)的设计技术研究[D];合肥工业大学;2006年
2 王波;高速CMOS A/D转换器的设计研究[D];西安电子科技大学;2007年
3 陈历忠;电荷泵降压开关电源芯片设计[D];复旦大学;2008年
4 郑直;一种双极晶体管12位电压输出型D/A转换器的分析与设计[D];吉林大学;2007年
5 朱慧珍;一种12位高精度数模转换器的设计[D];华中科技大学;2006年
6 詹昶;低噪声CMOS运算放大器的研究与设计[D];华中科技大学;2007年
7 张金勇;基于生物医学信号采集的多通道模拟前端集成电路设计[D];华南理工大学;2010年
8 崔立堃;有限元神经网络计算及其电路实现研究[D];内蒙古工业大学;2005年
9 陈曦;高性能流水线型模数转换器集成电路的设计[D];浙江大学;2006年
10 吴迪;16位40MHz过采样∑-△调制器的设计[D];西北大学;2008年
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