基于nc-Si-H TFTs的加速度傳感器特性研究.pdf

1、加速度傳感器是微型慣性組合測(cè)量系統(tǒng)的核心器件。采用微機(jī)械加工技術(shù)制作的加速度傳感器廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)控制、汽車、地震測(cè)量、軍事和空間系統(tǒng)等方面。加速度傳感器種類多樣，其中壓阻式加速度傳感器具有體積小、頻率范圍寬、測(cè)量加速度的范圍大、直接輸出電壓信號(hào)、接口電路簡(jiǎn)單、適合大批量生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容等特點(diǎn)。本課題研究基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器，為納米硅薄膜在傳感器領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用以及傳感器高靈敏度、小型化和多功能化研究

2、奠定基礎(chǔ)。主要內(nèi)容包括:
　　1.基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)與工作原理
　　采用CMOS工藝在自由端帶有質(zhì)量塊的懸臂梁根部制作四個(gè)納米硅薄膜晶體管(nc-Si∶H TFTs)，形成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)nc-Si∶H TFTs沿<011>晶向制作，而另外兩個(gè)nc-Si∶H TFTs沿<011>晶向制作，以實(shí)現(xiàn)基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器。在外加加速度作用下，懸臂梁受到彎矩作用而發(fā)生彎曲

3、。由于懸臂梁根部受應(yīng)力作用，在根部制作的四個(gè)nc-Si∶H TFTs溝道等效電阻的阻值將發(fā)生變化，沿<011>晶向制作的兩個(gè)nc-Si∶H TFTs溝道電阻的相對(duì)變化量是正值，而沿<011>晶向制作的兩個(gè)nc-Si∶H TFTs溝道電阻的相對(duì)變化量是負(fù)值，使得惠斯通電橋兩臂不平衡，產(chǎn)生輸出電壓，從而將非電量信號(hào)加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。針對(duì)基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器工作過(guò)程中懸臂梁根部nc-Si TFTs所受應(yīng)力作用，根據(jù)

4、壓阻理論從外加壓力P=0和P≠0兩方面對(duì)I-V特性進(jìn)行詳述。
　　2.基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器仿真研究、芯片設(shè)計(jì)、制作和封裝
　　為了研究nc-Si∶H TFTs的特性并實(shí)現(xiàn)高性能基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器設(shè)計(jì)制作，通過(guò)仿真軟件SILVACO和ANSYS分別對(duì)nc-Si∶H TFT和加速度傳感器進(jìn)行仿真研究。當(dāng)nc-Si∶H TFT的溝道長(zhǎng)度縮小到10μm，采用ATLAS建立二維仿真模型，根

5、據(jù)熱載流子能量平衡輸運(yùn)原理，在VGS=3V、6V和9V條件下，nc-Si∶H TFT仿真模型的IDS-VDS特性出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象。通過(guò)柵氧化層與納米硅薄膜界面處的載流子復(fù)合率、平行于溝道表面方向的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度和沿納米硅薄膜與柵氧化層界面處的縱向電場(chǎng)強(qiáng)度分布分析在夾斷區(qū)內(nèi)熱載流子輸運(yùn)對(duì)負(fù)阻特性的影響。利用有限元仿真工具ANSYS，建立加速度傳感器有限元模型，該芯片尺寸為10mm×10mm×500μm（厚），懸臂梁的尺寸為6000μm（長(zhǎng)）×1

6、500μm（寬）×62μm（厚）。對(duì)加速度傳感器靜態(tài)分析表明在距離懸臂梁根部150μm處δXX和δYY達(dá)到最大值，選擇壓阻效應(yīng)最大區(qū)域，確定由4個(gè)nc-Si∶H TFTs構(gòu)成的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的最佳位置，優(yōu)化基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器芯片設(shè)計(jì)，以求加速度傳感器性能的最佳條件。在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)有限元仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析以及諧響應(yīng)特性分析，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度加速度傳感器的制作。
　　在仿真研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述基于n

7、c-Si∶H TFTs的加速度傳感器設(shè)計(jì)、制作工藝和芯片封裝。在n型<100>晶向高阻(ρ＞100Ω·cm)單晶硅襯底上，采用CMOS工藝在懸臂梁根部制作四個(gè)長(zhǎng)寬比L/W=80μm/40μm的nc-Si∶H TFTs，構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)nc-Si∶H TFTs沿<011>晶向制作，而另外兩個(gè)nc-Si∶H TFTs沿<011>晶向制作。采用ICP刻蝕的方法制作長(zhǎng)和寬分別為6000μm和1500μm的懸臂梁，并形成位于懸臂梁自由

8、端的質(zhì)量塊，從而實(shí)現(xiàn)基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器制作，芯片面積為10mm×10mm。
　　3.加速度傳感器輸出信號(hào)的存儲(chǔ)電路
　　為實(shí)現(xiàn)基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器輸出信號(hào)的數(shù)字化存儲(chǔ)，本課題進(jìn)一步探討加速度傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)問(wèn)題。設(shè)計(jì)并制作了基于雙穩(wěn)態(tài)電阻開(kāi)關(guān)ITO/PVK/Al的1T-1R一位存儲(chǔ)單元電路，提出傳感器數(shù)字化存儲(chǔ)的新技術(shù)方案。在加速度傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，采用非共軛聚合物材料

9、聚乙烯咔唑(poly(N-vinylcarbazole)，PVK)納米膜作為存儲(chǔ)層，研究雙穩(wěn)態(tài)電阻開(kāi)關(guān)ITO/PVK/Al以及n-MOSFET與雙穩(wěn)態(tài)電阻開(kāi)關(guān)ITO/PVK/Al組成的1T-1R一位存儲(chǔ)單元電路特性。采用存儲(chǔ)材料PVK所制作的ITO/PVK/Al表現(xiàn)出非揮發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電阻開(kāi)關(guān)特性，開(kāi)啟電壓為-1V，ON/OFF電流開(kāi)關(guān)比接近104。在常溫下，由該有機(jī)電阻開(kāi)關(guān)與n-MOSFET組成的一位存儲(chǔ)單元電路在104s的編程時(shí)間里，具有

10、較高的穩(wěn)定性，提出基于有機(jī)存儲(chǔ)材料實(shí)現(xiàn)加速度傳感器輸出數(shù)據(jù)數(shù)字化存儲(chǔ)的可行性方案，為實(shí)現(xiàn)壓阻式加速度傳感器輸出從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)奠定基礎(chǔ)。
　　4.基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器特性研究
　　采用XRD、拉曼光譜、AFM和SEM對(duì)LPCVD法制備的納米硅薄膜進(jìn)行表征。并對(duì)采用該方法制備的L/W=80μm/40μm、L/W=160μm/40μm和L/W=240μm/40μm的nc-Si∶H TFT s進(jìn)

11、行IDS-VDS特性測(cè)試。在基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器頻率特性測(cè)試中，對(duì)于納米硅薄膜厚度達(dá)到90nm的加速度傳感器，懸臂梁厚度由62μm增加到160μm導(dǎo)致加速度傳感器共振頻率由458.72Hz增加到1054.06Hz;對(duì)于懸臂梁厚度為160μm的基于nc-Si∶H TFTs的加速度傳感器，隨著質(zhì)量塊質(zhì)量的增加，共振頻率由1054.06Hz減小到458.71Hz，但輸入與輸出信號(hào)之間產(chǎn)生1.08ms的延遲;加速度傳感器的