高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

基于4H-SiC的开槽四梁式压阻式加速度计设计及仿真研究

基于4H-SiC设计了一种开槽四梁式的压阻式加速度计,通过分析开槽位置、开槽大小对传感器灵敏度及固有频率的影响确定了开槽的相关参数,并对该结构采用有限元方法进行了热-力耦合仿真,确定了该结构在不同温度场下施加不同载荷时的理论电压输出。研究结果表明:该结构相较于传统双端四梁结构输出灵敏度提升51.4%,固有频率仅下降14.2%,在ANSYS 600℃的稳态温度场环境下,传感器输入载荷与输出电压成线性关系,理论满量程输出为39.71 mV。

AlGaN基深紫外LED的可靠性研究及寿命预测

围绕AlGaN基深紫外LED的外延生长、工艺制备等因素对深紫外LED可靠性的影响以及加速寿命预测等方面开展了系统的研究。探索了量子垒(Quantum Barrier,简称QB)中Al组分、电子阻挡层(Electron Barrier Layer,简称EBL)中Al组分、同尺寸芯片不同台面面积等因素对深紫外LED可靠性的影响,确定QB结构Al组分为74%,EBL结构Al组分为75%,台面面积为P68。对优化后的深紫外LED设计了热、电应力老化试验,结合阿伦纽斯模型、逆幂律模型、指数最小二乘拟合对深紫外LED的寿命进行预测。实验结果表明,随着电、热应力的增加,深紫外LED可靠性随之降低,阿伦纽斯模型预测寿命为5027 h,逆幂律模型预测寿命为5400 h,正常工作电流40 mA下,深紫外LED实际寿命为5582 h,逆幂律模型预测精度较阿伦纽斯模型提升了6.7%。本研究将为提高深紫外LED的可靠性和产品应用普及提供坚实的理论基础。

MEMS正装传感器复合钝化层高温可靠性的研究

绝缘体上硅(SOI)所制备的压阻式正装压力传感器可在高温下良好工作,但高温环境下电阻条和金属引线长期暴露在环境中易受到氧化和腐蚀,对传感器的输出造成影响,使电学性能发生变化甚至失效,为避免这种情况,通常在表面进行钝化处理。文中采用SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层对SOI正装传感器芯片进行钝化,并且对钝化层进行高温老化考核,模拟高温和恶劣环境,验证其高温可靠性。实验结果表明:按照SiO_(2)厚度为200 nm、Si_(3)N_(4)厚度为300 nm的SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层能在350℃高温下对正装传感器进行有效保护且电学性能完好,满足芯片在高温下可靠性的要求。

MEMS高温压力传感器耐高温引线结构优化

绝缘体上硅(SOI)高温压力传感器可在高温(高于125℃)下工作。通常情况下构成惠斯通电桥的电阻单独处于压力敏感区,以提高其灵敏度,但在其工作期间压力传感器器件区电阻重掺区与金属引线连接处存在一定高度差,在加压加电高温环境下此处热应力变大,金属引线因过热而出现金属引线断裂或失效,无法满足高温需求。在此基础上研究了一种硅引线技术,使其与压敏电阻处于同一高度层,金属引线平铺在硅引线上端,经退火后形成良好的欧姆接触。实验测试表明,该方案能使压力传感器在300℃高温环境下正常工作,金属引线与电阻区连接完好,传感器敏感区应力降低接近50%,且优化后传感器灵敏度符合设计要求。

用于E型薄膜制备的双掩膜工艺研究

在高温压力传感器中,与C型膜片相比,E型膜片的稳定性强,非线性误差小,相同挠度下灵敏度高。在微机电系统(MEMS)工艺流程中薄膜制备较重要,其形貌结构对传感器的性能影响较大。但E型薄膜的制备过程较难,为制备出形貌良好的E型(硅岛)薄膜,采用深反应离子刻蚀机,以SF_(6)为主要刻蚀气体,通过改变掩模材料对制备工艺进行优化改进,使用共聚焦显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对刻蚀后的形貌进行表征。实验表明,通过使用ROL-7133负胶和SiO_(2)双掩膜,前烘90 s,中烘120 s,显影50 s,得到了硅岛高度为50μm、背腔深度为450μm的E型薄膜,垂直度较高且整体形貌较好,符合传感器制作要求。

压阻式压力传感器硅电阻条浅槽刻蚀的研究

MEMS压阻式压力传感器的电阻条刻蚀效果对传感器的性能及高温环境下工作寿命起着至关重要的作用。采用SPTS深硅刻蚀机以SF6为刻蚀气体,C4F8为保护气体进行刻蚀实验。通过改变刻蚀气体通入时长、保护气体通入时长以及射频功率进行参数匹配,根据台阶仪和SEM电镜的观察数据对刻蚀效果进行评估,最终确定了刻蚀气体流量25 sccm,刻蚀气体通入的时长为2.5 s;保护气体流量50 sccm,保护气体的通入时长为2.5 s,射频功率为2 500 W的刻蚀条件。该条件下刻蚀速率为1.54μm/loop。刻蚀均匀性为2.9%.

一种高电源抑制比低温度系数的带隙基准电路

采用两种方式提高了带隙基准电路的电源抑制比。首先,采用峰值电流源结构将三极管自身的增益引入反馈环路,从而提高了环路增益和带隙基准核心的电源抑制比。其次,运用预调制电路进一步提高了电源抑制比。此外,还提出了一种仅需源极负反馈非对称电流镜的曲率补偿电路,该电路具有跨工艺的通用性。所提出的电路采用0.18μm BCD工艺进行了验证,并应用在一款降压DC-DC变换器中。结果表明,所提出的电路在2.4 V、3.3 V和5 V供电下,低频分别具有127 dB、134 dB和136 dB的高电源抑制比,同时实现了3.74×10^(-6)/℃的低温度系数,总电流消耗仅为6.3μA~14.5μA。

一种可降低开关电源电磁干扰的扩频时钟电路

介绍了一种基于0.18μm BCD工艺实现的可用于降低开关电源转换器电磁干扰(Electromagnetic inter⁃ference,EMI)的扩频时钟电路,电路中的双相张弛振荡器可在1.8~4.0 MHz工作,采用了一个三输入比较器配合时序电路实现了振荡器的正常启动。为避免传统三角波调制方法产生人耳可闻噪声、导致输出噪声较大等缺点,采用了伪随机调制方法,首先通过7位线性移位反馈寄存器生成伪随机码,再使用电流舵数模转换器将伪随机码转换为电流,最终伪随机变化的电流控制振荡器频率以伪随机的方式变化。本文提出的扩频时钟电路应用在一款降压DC-DC转换器芯片中并进行了流片,测试结果表明扩频后功率谱基波峰值幅度下降10 dB,二次谐波峰值幅度下降17 dB,功率谱中没有明显的调制频率分量,可有效降低DC-DC转换器的EMI。

压敏电阻的热应力分析及结构优化

为解决SOI压阻式压力传感器敏感芯片上电阻条因热应力堆积导致的断裂问题,通过在电阻条上容易堆积应力的弯折处建立平滑倒角的方式来降低热应力堆积,提高电阻条的热稳定性。利用多物理场耦合分析软件对有无倒角的2种结构进行仿真分析,仿真结果表明:在常压450℃条件下,倒角的存在使得电阻条弯折处的应力比无倒角的结构降低了50%。在300℃测试环境下无倒角电阻发生断裂,而有倒角电阻在300℃测试以及之后的温度测试中结构完好,电压输出正常,表明倒角的设计有助于提高敏感芯片的耐温性,从而提高传感器的热稳定性。

低热零点漂移的高温绝压压力传感器

传统的高温绝压压力传感器一般采用硅和玻璃进行阳极键合来制备绝压腔。由于高温环境下硅片和硼硅玻璃的热膨胀系数不匹配,从而产生较高的热零点漂移。文中提出了一种低热零点漂移的压力传感器设计方案,由硅-玻璃-硅的三层结构代替普通的双层阳极键合结构,并给出了热力学仿真模型。分析表明:改变传感器硅与玻璃的结构比例,实现应力匹配可以有效减小热应力。对芯片进行了高温实验测试,发现传感器的热零点漂移变化率减小了50%。

高频响MEMS压力传感器动态性能研究

面向脉冲型风洞试验设备、大型建筑抗冲击强度试验等特殊环境对瞬态和动态力学量的重大测试需求,高频响MEMS压力传感器的研发已经受到业内广泛关注。论文从器件结构设计、性能模拟仿真、MEMS器件加工工艺及芯片动态性能测试等方面对基于SOI材料的高频响MEMS压力传感器进行了系统研究。首先,论文采用Ansys仿真软件对传感器压力敏感膜尺寸、封装结构及材料参数进行了优化设计;其次采用MEMS工艺实现压力芯片加工,并完成封装结构的制备与传感器整体装配;最后对制备的传感器进行激波管动态性能测试。测试结果表明:传感器的固有频率为222.8 kHz,上升时间约为20μs,可在74 kHz频率内安全工作,此传感器具有冲击信号响应速度快,动态响应频率高特点。

压敏电阻工艺误差的影响分析

为了解决由于压敏电阻工艺过程中的工艺误差导致压力传感器输出灵敏度和输出量程产生偏差的问题,通过定位压敏芯片在工艺过程中产生误差的工艺步骤,分析相关步骤的误差对器件性能的影响。利用共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等设备对欧姆接触区扩散开孔、DRIE刻蚀压敏电阻以及背腔刻蚀3个工艺步骤中引入的误差进行分析,分析结果表明前两个步骤引入的误差主要表现为电阻值的缩小,使得输出电压偏差最大达到8.24%,而背腔刻蚀引入的误差主要表现在电阻变化率上,使得输出电压偏差最大达到5%。在制备压敏电阻过程中可以通过控制这3个步骤的工艺精度来解决引入的工艺误差,从而提高器件的稳定性。

硅压敏电阻刻蚀形貌对高温压力传感器输出特性影响

为解决压力传感器在高温下的热零点漂移问题,文中提出一种压敏电阻均匀刻蚀的方案。通过控制变量法改变沉积和刻蚀聚合物时序参数,解决了制备硅电阻条出现的微负载效应,减小了压力传感器中惠斯登电桥不平衡性。对比了不同参数下的刻蚀效果,得出最佳刻蚀参数为1个循环内钝化时间2 s、刻蚀时间4.8 s,刻蚀图案成功保持了设计图形的关键特征,电阻条连接处曲线平滑、侧壁角度锐利,垂直度达到了88.6°。最终制备的芯片在300℃环境下进行压力测试,测试结果表明传感器芯片热零点漂移率降低了46.7%,验证了该方案对改善芯片高温下热零点漂移的可行性。

NMP/PVP-MWCNTs湿度传感器制备与测试

碳纳米管制备敏感薄膜时往往会因其分散性差,无法保证纳米薄膜的均匀性,从而影响传感器的性能。使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂对多壁碳纳米管进行表面活性处理,制备以多壁碳纳米管为湿敏材料的电阻型湿度传感器。传感器用微机电系统(MEMS)工艺制备叉指电极作为湿敏电阻,在100℃下将多壁碳纳米水溶液组装在电极上,使用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)对湿敏薄膜进行形貌表征。经测试,传感器线性度为0.99806,灵敏度为42.99923Ω/%,相对湿度20%~70%循环测试时响应时间为5 s,恢复时间为6 s,且传感器具有良好的重复性和稳定性。

一种交叉式圆形MEMS热电堆红外探测器

微电子机械系统(MEMS)热电堆红外探测器是非接触测温仪、光谱仪、气体传感器等现代信息探测系统的核心工作器件。研制了一种交叉式排布的圆形热电堆结构,其热偶条形状由传统矩形调整为直角梯形以降低探测器电阻,热端通过交叉式排布延伸至中心温度集中区,同时增大冷端欧姆接触面积并覆盖反射层以降低冷端温度,有效地增大了冷热端温度梯度。测试结果显示,优化后的交叉式圆形MEMS热电堆探测器距黑体辐射面3 cm处响应电压为22.673 mV,响应率为47.5 V/W,探测率为1.01×10^(8)cm·Hz^(1/2)·W^(-1),相对于传统圆形热电堆探测器的18.649 mV、39.1 V/W和0.852 cm·Hz^(1/2)·W^(-1)分别提升了21.57%、21.48%和18.5%。给出了热电堆探测器结构设计、仿真结果、制作工艺以及测试结果,为热电堆红外探测器的优化设计提供了参考。

固支结构对压阻式压力传感器的输出影响研究

针对MEMS压阻式压力传感器微型化发展过程中精度难以保证的问题,通过有限元仿真分析方法,研究固支结构、封装约束方法等变量对压力传感器输出的影响。结果表明,固支结构的引入会导致压敏电阻所处路径出现24.93%的应力偏差,不同封装方法会使路径上产生0.54%~2.42%的应力偏差。当固支结构宽度与压力敏感薄膜膜厚的比例大于3∶1时,压敏电阻所处位置应力积分均值稳定。结果表明,固支结构的约束方法、结构宽度均会对压力传感器的输出产生重要影响,合理设计固定约束结构可为压力传感器的微型化高性能设计提供保障。

碳化硅表面镀镍速率研究

针对碳化硅基底深刻蚀过程中镍掩模的厚度会影响刻蚀效果,为解决电镀镍时电镀速率不同从而导致厚度无法保证的问题。采用COMSOL Multiphysics软件对阴极镀层厚度进行模拟的方法,研究了不同电导率对电镀速率的影响。通过对比相同条件下实际电镀速率来验证仿真的可靠性。结果表明:在50℃下,当电导率为15 S/m时,阴极镀层速率为408.3 nm/min;在相同条件下进行实验,测得实际电镀速率为425.5 nm/min,验证了仿真模型的可靠性,为电镀镍工艺优化以及SiC硬掩模刻蚀提供了仿真依据。

高频响MEMS压力传感器设计与制备

高频响MEMS压力传感器,常用于各项高速冲击波动态测试,能够完整地呈现和评估测试当场下的动态效果。高频高压高温芯片的加工与刚性封装外壳是高频响MEMS压力传感器的研究难点。文中通过设计仿真、工艺加工试验及封装测试,设计加工出一种齐平式倒装封装的高频响MEMS压力传感器。完成220℃的温度-压力复合场动态性能测试,补偿后的传感器精度可达±1.5%FS,频响可达375.2 kHz。

基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究

针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境(≥500℃)下测试需求的问题,设计并制备了一种基于碳化硅(SiC)材料的电容式高温压力传感器。利用ICP刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构,结合金属沉积、金属图形化等MEMS工艺制备了感压敏感芯片。搭建了压力-温度复合测试平台,完成了传感器在0~600℃环境下压力-电容响应特性的测试。测试结果表明,在0~300 kPa内,该传感器灵敏度为4.51×10-3 pF/kPa,非线性误差为2.83%;同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低,0~600℃环境下电容变化量为8.50~8.65 pF。