纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器制作工艺及特性研究

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随着MEMS技术和IC技术迅速发展,传感器小型化、多功能化和集成化成为传感器发展的重要方向,本文基于CMOS工艺和MEMS技术研究设计、制作纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器。本文采用LPCVD法在n型<100>晶向高阻单晶硅上实现纳米硅薄膜制备,并采用XRD、Raman和AFM对薄膜微结构进行测试研究,基于上述研究,建立纳米硅薄膜晶体管压/磁理论模型,并对压/磁特性进行理论分析。在理论分析基础上,给出纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器基本结构和工作原理,并采用ANSYS有限元软件和ATLAS器件模拟软件对压/磁传感器的特性进行仿真研究。在此基础上,以厚度为81.7nm和169.5nm的纳米硅薄膜为沟道层,采用CMOS工艺和MEMS技术实现纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器芯片的设计、制作和封装。室温条件下,本文分别采用Fluke719100G压力校准系统和CH-Hall磁场校准系统对传感器进行测试,进行压敏特性和磁敏特性研究。实验结果给出,当外加磁场B=0T、外加工作电压VDD为5.0V时,纳米硅薄膜厚度为81.7nm,硅膜厚度为85μm,沟道长宽比分别为160μm/80μm、320μm/80μm和480μm/80μm的传感器压力灵敏度分别为0.48mV/kPa、0.35mV/kPa和0.32mV/kPa,与制作工艺和设计参数相同的扩散硅压阻式压力传感器相比,压力灵敏度明显提高;当外加磁场B≠0T时,传感器压敏特性有微弱变化;当外加压力P=0kPa、外加电压VDS为5.0V时,纳米硅薄膜厚度为81.7nm、沟道长宽比为160μm/80μm、320μm/80μm和480μm/80μm的纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器的磁灵敏度分别为8.45mV/T、4.76mV/T和3.49mV/T,纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器的磁灵敏度随沟道长宽比的增加而减小;当外加压力P≠0kPa,外加压力对传感器的磁敏特性影响较小。结果表明,本文设计、制作的纳米硅薄膜晶体管压/磁传感器能够完成外界压力和磁场的检测,实现压/磁检测集成化,为纳米硅薄膜在传感器领域进一步应用及传感器集成化研究奠定基础。
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