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纳米硅薄膜场发射压力传感器特性研究

刘金华  
【摘要】: 场发射压力传感器是在新兴的真空微电子技术发展中诞生的一种新型传感 器,具有灵敏度高、耐高低温、抗辐射、体积小等优点,在众多领域有着广泛 的应用前景。本文详细介绍了纳米硅薄膜场发射压力传感器的工作原理、设计、 加工过程和实验测量结果。 概括介绍压力传感器及场发射压力传感器的研究现状和MEMS的研究综 述。比较了压阻式、电容式和真空微电子式压力传感器的特点。真空微电子式 压力传感器是一种新型的压力传感器,具有灵敏度高、耐高低温、抗辐射、 体积小等优点。MEMS将微电子技术和精密机械加工技术相互融合,是 微电子与机械融为一体的系统。本章简要分析了MEMS技术的现状、面临 的技术课题和主要加工技术。 论述了场致电子发射理论和纳米硅薄膜的特性。场发射是在外部强电场作 用下发射电子的现象。半导体材料场致发射的研究是在研究金属场致发射的基 础上开始的,Fowler和Norderhein最先得出了场致发射的电流公式。本章还讨 论了表面态和温度对半导体材料场致发射特性的影响。同时对纳米硅薄膜的制 备及其结构特征进行了分析。 提出了场发射压力传感器的结构设计。本章首先分析了影响场发射压力传 感器灵敏度的因素。然后根据场发射压力传感器的工作原理,提出了一种新式 的结构设计:以阴极尖锥阵列为受力敏感膜,并且在阴极上面淀积一层纳米硅 薄膜。这种设计简化了制作工艺,降低了阴阳极对准键合难度。纳米硅薄膜晶 粒和晶面尺寸都很小,在硅尖上淀积一层纳米硅薄膜有益于提高场致发射电 流。 详细介绍了场发射压力传感器的制备。首先简要介绍硅微机械压力传感器 的主要加工技术,场发射压力传感器的制作包括氧化、光刻、腐蚀、键合等工 艺过程。硅尖阵列的腐蚀是整个加工工艺的关键,通过实验找到了合适的腐蚀 液配比浓度和腐蚀时间,腐蚀出硅尖后进行了氧化削尖。实验还包括用LPCVD 的方法在阴极上淀积纳米硅薄膜。全部工艺共使用五块版图。给出了全部的工 艺流程图。 给出了实验和测量结果。测量了场发射压力传感器的Ⅰ-Ⅴ特性,实验结果 符合F-N公式。用扫描电子显微镜对腐蚀及氧化削尖后的硅尖进行了观察和分 仑 析,硅尖高度约为 2.17pm,氧化削尖厂硅尖的高度约为 1.71 pm,尖锥曲率半 径约40-50urn,与设计预计数字很接近。力敏感膜的形变特性对压力传感器的 灵敏度有重要彤响。我们用数值计算和*NSYS软件对同等条件下的杖尖锥阵 列体的形变进行了模拟,对两种i!-算结果进行了比较,得出了硅尖锥阵列体近 似线性的形变特性曲线,井且求出了用表达式求解硅尖徘阵列体形变的修正 值。 I 、对所有的实验结果和测量数拥进行了总结,对以后的工作提出了建议。


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