MEMS压力传感器的设计及关键工艺技术研究

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压力传感器是在微机电系统领域最早开始研究并且产业化的微机电器件之一,微机电系统以微加工工艺为重点研究内容。本文主要对不同类型的微机电系统领域的压力传感器的相关部分进行设计和分析,并在研究相关微加工工艺的基础上制备硅基压阻式和电容式压力传感器,针对重掺杂硅电容式压力传感器制备中的关键工艺:均匀硅膜和欧姆电极的制备作出深入分析和实验探索。  论文的主要内容如下:  利用膜的应力形变等力学、电学知识、压阻效应、大(小)挠度理论、惠斯通电桥等相关知识设计了硅基压阻式压力传感器薄膜与电阻结构尺寸及布置方式。对传感器结构进行ANSYS静态仿真,为了获得较大输出,得到力学性能好的弹性结构,通过改变一些结构几何参数,得出其对输出电压的影响。输出电压越大,传感器灵敏度越高。根据灵敏度及制造工艺的难易程度选择最佳参数值,根据理论计算尺寸,设计传感器掩膜版图,结合微加工工艺及实验室具体条件,设计传感器制备流程,为下一步的加工制作奠定基础。  分析了硅基电容式压力传感器的工作原理,利用ANSYS软件分析电容式压力传感器的应力及挠度变化,从传感器的硅材料特性、灵敏度、线性度和温度特性等方面分析其性能,结合微加工工艺设计传感器尺寸参数和工艺制备过程。  由于硅膜作为电容式压力传感器的应变片,其品质高低决定着传感器的效能。本文研究了制备传感器硅膜的工艺方法,提出一种新型的硅基薄膜制备方法,利用硅-玻璃键合工艺,结合化学机械抛光及浓度60%的KOH溶液超声环境下腐蚀,得到了10μm厚的均匀平整的硅基薄膜。  基于金属-半导体接触理论原理,分析并选择欧姆接触金属层结构(Ti/TiN/Pt)及接触电阻率测试方法,在重掺杂硅电容式压力传感器上制备欧姆接触电极。采用TiN层以防止Pt扩散至硅基底里,影响传感器性能。所制得的传感器金属层电极与重掺杂硅基底可形成良好的欧姆接触效应,接触电阻率达到10-5量级。
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