一種MEMS溫度傳感器的設(shè)計(jì).pdf

1、溫度傳感器是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中最常用的傳感器之一，種類繁多，大致可分為傳統(tǒng)分立式傳感器和半導(dǎo)體溫度傳感器。近年來，在微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的MEMS傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，體積小、重量輕，易與IC工藝結(jié)合，而與一般的半導(dǎo)體傳感器相比工作溫度范圍大，因此具有很大的優(yōu)勢(shì)。 1.提出一種新型的MEMS溫度傳感器，采用由導(dǎo)體/介質(zhì)層/導(dǎo)體組成的多層梁固體可變電容結(jié)構(gòu)。多層梁固體可變電容的上下極板分別為金屬和硅

2、，中間介質(zhì)層為二氧化硅。在溫度變化時(shí)，梁的各層材料因熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，使梁發(fā)生彎曲形變。極板面積和間距的變化以及中間介質(zhì)層在熱應(yīng)力作用下由于電致伸縮增強(qiáng)效應(yīng)引起的介電常數(shù)的變化使得電容值發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了溫度-電容的轉(zhuǎn)換。這種基于熱機(jī)械效應(yīng)的MEMS溫度傳感器，與IC工藝兼容，體積小，成本低，其測(cè)溫范圍寬，可適合一些惡劣環(huán)境的測(cè)量。由于采用電容檢測(cè)，可以方便地與氣壓、濕度等電容型傳感器互換接口，這也是本溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一。利用

3、按層分析法對(duì)多層梁的二維模型進(jìn)行理論計(jì)算，和ANSYS軟件模擬出來的結(jié)果基本一致。模擬了傳感器尺寸與性能的關(guān)系曲線，得出選用大面積，低厚度的梁，能夠最大限度的提高傳感器的靈敏度。定量計(jì)算了極板間距變化和面積變化引起的電容變化量。 2.溫度傳感器的工藝設(shè)計(jì)方面涉及多種單步IC和MEMS工藝，力求與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相兼容。詳細(xì)介紹了主要的加工工藝——鍵合、光刻、各向異性腐蝕和干法刻蝕的相關(guān)工藝以及具體的操作方法，制作出了多層懸臂梁結(jié)

4、構(gòu)的溫度傳感器，三層膜分別為Al、SiO2和低阻硅。 3.通過2次實(shí)際工藝流水制作出了多層膜電容式溫度傳感器的樣品，并搭建了簡易的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際測(cè)試了尺寸為1500μm×300μm和2000μm×500μm的樣品。在-40℃～90℃的溫度范圍內(nèi)，靈敏度分別為3.5fF/℃和7.6fF/℃。電容由介電常數(shù)變化引起的電容變化量分別為0.42pF、0.892pF，而由幾何形變產(chǎn)生的電容變化量約為0.03pF、O.09