收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

多层膜结构电容式压力传感器及其CMOS兼容工艺的研究

周闵新  
【摘要】: 硅微机械加工压力传感器是MEMS的重要研究领域之一,在汽车系统、工业控制、环境监控和测量以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用。电容式压力传感器是硅微压力传感器的一种主要类型,其基本原理是将压力变化转换为电容的变化。与压阻式压力传感器相比,电容式压力传感器具有多方面的优势,例如较高的灵敏度、较低的温度偏移系数、更加坚固的结构以及更低的功耗等等。传统电容式压力传感器主要缺点:(1)由于电容值与极板的间距成反比,传统结构的电容式压力传感器具有较大的非线性,这一固有的非线性给传感器的校准带来了困难。(2)由于在两个电极之间存在空腔,并且传感器的下电极需要从空腔中引出。这些因素致使传感器的加工复杂化。 本文首次提出多层膜结构电容式压力传感器结构,消除了空腔中电极引出的问题,极大的降低了加工的复杂性,采用这种结构,还获得了电容式压力传感器固有特点基础上的一些其它优势,例如对残余应力的补偿、传感器强度的增加、较大的固有电容等等。较大的固有电容有效地抑制了寄生电容的影响,为接口电路的设计带来了方便。本文提出多层膜的机械、热模型,采用理论模型和有限元方法分析和模拟了多层膜的负载-形变效应,热翘曲和热应变以及温度系数。根据弹性电介质材料的电致伸缩增强效应,本文首次提出了弯曲状态下弹性电介质的改进电致伸缩增强效应模型,在模型中附加了电介质膜厚度方向应变梯度引起的介电常数变化项。以介电常数变化模型定性解释了传感器灵敏度的增强效应,这一模型较好的解释了实验结果,根据实验结果提取了变化项的系数。采用SOG加工工艺研制出多层膜电容式压力传感器,(1)用3块光刻版实现了P~(++)/SiO_2/Si3N4/Au结构的压力传感器,膜的边长分别为800μm,1000μm,1200μm,1500μm。传感器的灵敏度在0.008pF/hPa-0.02 pF/hPa间变化。传感器测量范围为800-1060hPa。传感器的非线性度小于1.2%。最大滞回约为3.3%。1010hPa压力下,失调温度系数TCO约为192.3ppm。室温下空腔内残余压力大小为80hPa。(2)采用4块光刻版实现了P~(++)/SiO_2/Au结构的单层介质膜压力传感器,传感器膜边长为1400μm。传感器的灵敏度为0.012pF/hPa。非线性小于3.2%。滞回约为2.4%。TCO约为282.4ppm。室温下空腔内残余压力约为82hPa。对传感器进行了简易封装。对传感器的长期稳定性进行了评估,测试时间为两周,传感器输出无明显变化。传感器具有较好的稳定性。 本文基于开关电容基本原理提出、设计并实现了一种差分输入形式的电容-电压转换传感器接口电路体系结构。采用HSPICE对电路进行了模拟和验证,电路的分辨率为2mV/5fF。电路建立精度0.01%,建立时间0.5μs。等效输入热噪声7.137μV,电路带宽300 kHz。主体部分功耗14.42mW。对部分电路性能进行了测试,电路工作线性电压范围为-4V-3V。 传感器的CMOS工艺集成化是传感器研究和发展的趋势。本文在多层膜电容式压力传感器结构的基础上提出了一种CMOS工艺兼容的电容式绝对压力传感器的实现形式,采用电路工艺加工在先,后处理工艺在后的方式,保证了CMOS工艺的完整性和工艺次序的不被改变和不被打断。对后处理中的关键工艺给予了实验研究,明确了后处理工艺对CMOS IC的影响和实际可行性。 本论文的主要贡献:(1)提出了多层膜结构电容式绝对压力传感器形式,并以介电常数变化作为传感器的基本原理,拓展了传统电容式压力传感器变电极间距或变电极接触面积的原理;(2)提出并设计了一种CMOS兼容的高精度电容-电压转换电路,可应用于集成电容式传感器的设计和加工; (3)提出了一种CMOS工艺完全兼容的电容式绝对压力传感器的实现方式,避免了原有集成方式中对CMOS工艺步骤和次序的改变。 本论文中提出的固体电容式传感器结构可以作为MEMS器件设计的一个基本原理单元。论文中所进行的研究工作对MEMS传感器以及CMOS集成传感器的设计和加工有一定的参考价值。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 胡洪平;林雁飞;冯勇建;;基于义齿压力检测的MEMS电容式压力传感器的研制[J];传感技术学报;2006年05期
2 冯勇建;谢雪望;刘建彰;冯永奇;;MEMS压力传感器在义齿力学性能研究中的应用[J];传感技术学报;2008年04期
3 ;产品世界[J];传感器世界;2002年03期
4 石云波,刘俊,张文栋;MEMS中的封装技术研究[J];微纳电子技术;2003年Z1期
5 黄子伦;控制MEMS封装成本的圆片规模封装[J];电子与封装;2003年06期
6 焦正,吴明红;日本基于MEMS传感器的研究进展[J];传感器世界;2004年01期
7 金铃;MEMS技术研究及应用[J];现代雷达;2004年12期
8 孟宝文;王全收;;System Four数字传感器工作与测试原理分析[J];物探装备;2007年S1期
9 李志坚;微电子机械系统(MEMS)发展展望[J];电子商务;1997年01期
10 邵雯雯,惠春,徐爱兰;BST-MEMS移相器开关[J];电子元件与材料;2004年10期
11 赵继德,李应良,马传龙;共面波导结构MEMS滤波器的设计[J];电子元件与材料;2005年02期
12 吴群,傅佳辉;MEMS射频与微波应用技术新进展[J];电子器件;2001年04期
13 俞武嘉,李建华,傅建中,陈子辰;面向MEMS的CAD显示设计研究[J];机电工程;2001年05期
14 卿健,石艳玲,赖宗声,朱自强;MEMS移相器及其在微型通信系统中的应用[J];微电子学;2002年04期
15 方舟 ,严寒;微电机械系统MEMS[J];光机电信息;2001年01期
16 鞠挥;迅速进入光开关市场的MEMS[J];光机电信息;2001年06期
17 John C.Dvorak;趣闻轶事[J];个人电脑;2003年02期
18 杨拥军,梁春广;MEMS光开关技术进展[J];世界产品与技术;2003年06期
19 郭方敏,朱守正,魏华征,郑莹,朱荣锦,忻佩胜,朱自强,赖宗声,杨根庆,陆卫;相位连续可调毫米波MEMS移相器的研制[J];华东师范大学学报(自然科学版);2004年01期
20 于婷,周兆英,宋宇宁;基于微转换器的MEMS传感器研究平台[J];仪器仪表学报;2004年S1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈新隽;刘晓平;戴若犁;刘昊扬;;多MEMS传感器的嵌入式姿态测量系统设计[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年
2 梁杰;李中华;;MEMS的微管道流动特征数值模拟研究[A];2003空气动力学前沿研究论文集[C];2003年
3 于华男;张勇;马小艳;;制导弹药用MEMS惯性导航系统发展与关键技术综述[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年
4 张玉祥;李华成;马柳艺;;基于MEMS器件的交互笔运动跟踪研究[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅰ[C];2011年
5 胡星星;滕云田;;基于MEMS传感器的小型智能化强震仪[A];中国地震学会第14次学术大会专题[C];2012年
6 李建飞;薛兵;张俊峰;朱小毅;王晓蕾;;应用于MEMS加速度计的小型恒温系统的实现[A];中国地震学会第14次学术大会专题[C];2012年
7 张文明;孟光;;MEMS旋转机械微转子结构的材料选用研究[A];第9届全国转子动力学学术讨论会ROTDYN'2010论文集[C];2010年
8 陈述官;黄军辉;;MEMS传感器在汽车电子上的应用研究与展望[A];教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会第二十届学术年会会议论文集(下册)[C];2010年
9 赵兴海;杜亦佳;郑英彬;陈颖慧;高杨;鲍景富;苏伟;;D波段MEMS波导滤波器研究[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2011年
10 林日乐;满欣;周倩;李文蕴;谢佳维;张巧云;;石英MEMS陀螺[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周闵新;多层膜结构电容式压力传感器及其CMOS兼容工艺的研究[D];东南大学;2006年
2 董良;MEMS集成室温红外探测器研究[D];清华大学;2004年
3 杨海波;多孔硅基MEMS非制冷红外探测器微结构与工艺研究[D];天津大学;2010年
4 张正元;射频微机械开关与放大器关键技术研究[D];重庆大学;2004年
5 王佩红;基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究[D];上海交通大学;2010年
6 肖功利;MEMS金属/电介质光子晶体的强透射特性研究[D];复旦大学;2009年
7 李庄;用于高场不对称波形离子迁移谱仪的MEMS振簧式静电计研究[D];中国科学技术大学;2010年
8 王春田;MEMS数字检波器采集系统技术研究[D];中国地质大学(北京);2011年
9 关乐;基于宏模型技术的MEMS系统级仿真研究[D];大连理工大学;2011年
10 杜广涛;新型MEMS磁敏传感器的研究[D];西南交通大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 周伟;基于倒装技术的MEMS电容式压力传感器研究[D];东南大学;2006年
2 宿智娟;MEMS宽带毫米波天线阵列研究[D];上海交通大学;2010年
3 付宇辉;基于MEMS航位推算系统的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 曾昊骋;MEMS开关与频率可重构天线的研究与设计[D];电子科技大学;2010年
5 华晨辉;MEMS超声分离器的二维简正模式的研究及实验分析[D];电子科技大学;2010年
6 赵明锐;基于MEMS硅基底L波段微带天线的研究与设计[D];电子科技大学;2010年
7 孟丽娜;基于MEMS的微驱动器研制及其特性研究[D];黑龙江大学;2005年
8 苑海静;船用MEMS航姿测量系统算法研究与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 牛凯;4×4MEMS光开关阵列的设计与实验研究[D];清华大学;2004年
10 赵磊;梳齿式MEMS光开关的分析与改进[D];西安电子科技大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;测试会议聚焦MEMS[N];计算机世界;2003年
2 ;欧洲的MEMS工业[N];中国电子报;2002年
3 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 焦继伟;MEMS满足未来移动通信需要[N];中国电子报;2004年
4 易人;MEMS:小角色的大未来[N];计算机世界;2003年
5 ;Intel悄然推出手机MEMS模块[N];计算机世界;2004年
6 刘恕;微机电系统:从能看到能用[N];科技日报;2005年
7 本报记者 徐勐 通讯员 苏媛;国家高新区MEMS研究院落户淄博[N];淄博日报;2010年
8 ;传感器热衷于MEMS市场将加速整合[N];电子报;2008年
9 记者 卫新华;我市全面启动MEMS研发和产业化工作[N];重庆日报;2001年
10 中电元协敏感元器件与传感器分会秘书长 齐文杰;MEMS传感器进驻汽车发动机[N];中国电子报;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978