单片集成CMOS-MEMS压阻式压力传感器

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MEMS压力传感器是最早开展研究,进行工艺实现并达到商业化的MEMS器件,能广泛应用于工业控制、生物医疗、环境检测、航空航天等领域,巨大的市场需求使得硅压力传感器成为MEMS成功商业化的典型代表。其中压阻式压力传感器加工简单,易与CMOS工艺兼容,实现单片集成,使得它占据了压力传感器大部分市场。针对市场和科研的需求,本文设计并制备了一种SOI基纳米硅薄膜的压阻式压力传感器。  本文第一部分对MEMS压力传感器进行了概述并详细阐述了压力传感器的应用;第二部分结合设计的要求经过分析后选定了最终设计方案;第三部分是本文的核心章节,主要对SOI基纳米硅薄膜压阻式压力传感器进行结构设计、理论分析和模拟验证:主要构建了SOI埋层氧化层、SOI上层硅和AlN绝缘层多层压力敏感薄膜结构。利用纳米硅薄膜作为压敏电阻,AlN薄膜作为绝缘层,埋层氧化层自停止腐蚀制作压力空腔。该传感器的制备工艺简单,一致性、重复性好。通过ANSYS模拟分析了压力敏感层结构参数对传感器灵敏度的影响以及传热特性,验证了结构设计和理论模型的正确性和合理性。研究表明,该传感器灵敏度可达到1.3mV/(KPa·V),输出电压可达到0.65mV,具有较好的线性度和高温性能,可实现对0~100Pa超微压的测量;第四部分设计仿真了压阻式压力传感器的CMOS检测电路;最后,本文讨论了结构加工过程中所需的工艺步骤和详细地制备流程,同时指出该传感器在工艺实现上的不足和限制,并对本文的SOI基纳米硅薄膜压力传感器的后续研究进行了初步的设想。
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