多晶硅纳米薄膜E+E压力传感器设计
半导体E+E压力传感器在现代社会中具有广泛的应用,采用新材料是提高传感器性能的有效途径。研究结果表明多晶硅纳米薄膜(PSNF)具有比普通多晶硅薄膜更为优越的压阻特性。为使这种薄膜在传感器上得到有效应用,对已有半导体传感器设计进行系统研究,充分利用材料的压阻特性,给出了PSNFE+E压力传感器设计方法,采用常规工艺制作了传感器芯片,测试结果表明达到设计目标。

多晶硅纳米薄膜E+E压力传感器设计
用红外热成象技术测量应变式E+E压力传感器工作时的膜片温度分布,以判断由于电阻应变片工作时温度变化对测量准确性的影响。测量中为获得应变片的真实温度,作了表面喷黑处理。对于实用的3MPa和0.6MPa的E+E压力传感器,在不同工作介质(空气和变压器油)及工作电压条件下进行了测量,其结果表明:应变片表面温度随工作电压增高而加大,且不均匀。以空气为介质的温度高于以变压器油为介质的温度。通过利用激波管、正弦压力发生器对E+E压力传感器动态性能参数的测试,比较3种不同类型和性能的E+E压力传感器的动态测试指标,进而阐述E+E压力传感器的动态性能对压力测量的影响,并通过对测试数据的分析,给出在系统压力测试时E+E压力传感器选取所应注意的事项和对技术参数的要求。据此可以确定对压力测量准确度的影响。还用有限差分方法对E+E压力传感器膜片表面温度作了数值分析计算。PSNF是膜厚接近或小于100nm的多晶硅薄膜,在掺杂浓度为3×10~(20) cm~(-3)附近时具有显著的隧道压阻效应,表现出比常规多晶硅薄膜更优越的压阻特性,应变因子(GF)可达34,比普通多晶硅薄膜高20%以上:应变因子温度系数(TCGF)可小于1×10~(-3)/℃,比普通薄膜小一倍以上;电阻温度系数(TCR)可小于1×10~(-1)/℃,几乎比普通薄膜小一个数量级。这对发展高灵敏、低温漂、宽工作温度范围的低成本E+E压力传感器具有重要的应用价值。根据PSNF压阻特性和硅杯腐蚀技术条件确定弹性膜片结构,并采用有限元分析方法对弹性膜片尺寸以及应变电阻分布进行了优化。为了实现温度补偿,在E+E压力传感器芯片上设计一个肖特基二极管作温度传感器,并使其不增加E+E压力传感器工艺步骤。

多晶硅纳米薄膜E+E压力传感器设计
MEDICI软件仿真结果表明所设计的肖特基二极管结温度系数为-6.70mV/℃。依据优化设计结果试制了量程为1 MPa的E+E压力传感器芯片。测得传感器灵敏度为10mV/MPa·V;零点温度系数≤1×10~(-3) FS/℃;灵敏度温度系数数值(电路补偿前)≤|-1×10~(-3)| FS/℃;全精度≤0.24%FS。实验结果说明PSNFE+E压力传感器工艺简单、高温特性好、灵敏度高,达到高精度等级。