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MEMS硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的設(shè)計(jì)制作與測(cè)試研究自從1954年Smith提出體硅的壓阻效應(yīng)以來(lái)， 硅基MEMS壓阻式壓力傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng) 用于消費(fèi)電子、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)療、氣象和航空航 天等領(lǐng)域。但由于體硅材料本身存在靈敏度較 低（硅壓阻應(yīng)變系數(shù)約為100 )、溫度漂移嚴(yán)重等問(wèn)題，導(dǎo)致硅基壓阻式壓力傳感器的性能受到了影響。圍繞上述問(wèn)題目前人們已經(jīng)開(kāi)展了許多相關(guān)研究[6@5]。例如，為提高壓阻式傳感器的靈敏度，楊培 東等人提出了利用表面修飾的硅納米線來(lái)實(shí)現(xiàn)巨壓 阻效應(yīng)，他們制作的納米線的壓阻（應(yīng)變）系數(shù)可以比傳統(tǒng)體硅高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然，巨壓阻效應(yīng)能夠大幅度提高壓力傳感器的靈敏度，盡管如此，壓阻效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理很復(fù)雜，與納米線表面狀態(tài)密切相關(guān)，因而穩(wěn)定性較差， 制作巨壓阻傳感，結(jié)構(gòu)的工藝要求很高，這導(dǎo)致巨壓阻效應(yīng)目前很正應(yīng)用于壓力傳感器。 近些 ，R〇we等人的研究 巨 壓 阻 效 應(yīng) 微米級(jí)別的器件實(shí)現(xiàn)，利用常規(guī)硅壓阻條和鋁條器構(gòu)成金導(dǎo)體混合壓阻器可獲得幾何放大的壓阻效應(yīng)，其應(yīng)變系數(shù)能達(dá)到843, 可以顯著提高傳感器的靈敏度。 與硅納米線傳感器相比，基微米量級(jí)金屬硅混合結(jié)構(gòu)（硅鋁異 構(gòu)）的壓阻傳感器易常刻刻蝕工制備并實(shí)現(xiàn)批。 值得注意的是，由硅鋁異構(gòu)的電阻，容易環(huán)境溫度影響，因此需要溫度漂移 。對(duì)傳感器的溫度漂移，目前主要有硬件和軟件兩種方法，硬件常采用并聯(lián)溫度：阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于計(jì)算、 阻本身溫度漂移等問(wèn)題 ，導(dǎo)效太理想。常用的方法 線性回歸分析法、二維插值法、 持向量機(jī)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)法等， 些方法有效 高了溫度漂移和非線性誤差的效果，目前應(yīng)用更為廣泛。 為了提倍提高M(jìn)EMS壓阻式壓力傳感器的靈敏度，同時(shí)有效溫度漂移等因素的影響，本重設(shè)計(jì)和研究款基于硅鋁異構(gòu)的高靈敏度 壓力傳感器，首先利用件和理論計(jì)算對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)和性行設(shè)計(jì)分析，傳統(tǒng)MEMS工制作了帶有硬件溫度 構(gòu)的硅鋁異構(gòu)壓力傳感器。 實(shí)現(xiàn)硬件的同時(shí)， 采用基于遺傳算法改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器進(jìn)行件，使性能得大。 研究對(duì)于研制高靈敏的壓阻式傳感器好的參考價(jià)格 。 1 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓阻效應(yīng)原理 傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖 ，它由分布在應(yīng)變薄膜邊緣的4 個(gè)壓阻條連成的惠斯通電橋構(gòu)成。在應(yīng)力作用下壓阻條電阻 或電阻率因壓阻效應(yīng)而發(fā)生變化 ，其可表示：
式中: R為初始值，P : 初始電阻率，π為壓阻系數(shù)，E為楊氏模量，g為應(yīng)變，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)。
與傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器工作原理不同，硅鋁 異構(gòu)是利用應(yīng)力引起的摻雜硅的各向異性使得電流離開(kāi)高導(dǎo) 金 實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量[9 ]，硅鋁異 質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器結(jié)構(gòu) 1 (b )和 1 (c ) 所示， 計(jì)的硅鋁異構(gòu)壓力傳感器芯片包 括一對(duì)硅鋁異質(zhì)壓力傳感結(jié)構(gòu)和一對(duì)硅鋁異質(zhì)溫度參構(gòu)，兩者的材料和結(jié)構(gòu)形式相同，每個(gè)獨(dú)的硅鋁異構(gòu)包括硅壓阻條和金屬鋁條。 硅壓阻條連接著4個(gè)引出焊盤(pán)，外側(cè)兩個(gè)用于恒流源供電，內(nèi)側(cè)用于輸出電壓的測(cè)量。硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)等效電阻可用公式表示；
式中: l為內(nèi)側(cè)兩個(gè)電壓測(cè)量引量距離的一半，L為壓阻條長(zhǎng)度的一半，h為壓阻條的厚度，b 為壓阻條的寬度， p1和p2分別為縱向和橫向電阻率。當(dāng)外部施加壓力時(shí)，硅招異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力
式中:π1和π2分別為縱向和橫向壓阻系數(shù)，與傳感器靈敏度相關(guān)的放大因子SG , 可 表示為:
式中: 正如前面所提及的，位于硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片壓力敏感薄膜內(nèi)側(cè)的傳感結(jié)構(gòu)用于測(cè)量外部壓力變化，而位于壓力敏感薄膜外側(cè)的參考結(jié)構(gòu)基本不受外部壓力的影響，它們主要用于消除溫度漂移誤差。 理想情況下，因?yàn)? 個(gè)硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)形狀大小一致 并且其所在的溫度環(huán)境相同，所以在相同的恒流源供電和溫度條件下，無(wú)壓力的初始輸出都應(yīng)為U0+△Ut，其中△Ut是由于溫度引起的輸出變化。當(dāng)施加外部壓力P 時(shí)，傳感結(jié)構(gòu)輸出電壓為Uref=Uo+△Ut，由于參考結(jié)構(gòu)不受應(yīng)力影響，其輸出電壓為Uout和Uref差分處理可獲得硅鋁異 構(gòu)壓力傳感器最終輸出電壓為： 由式可以看出，最終壓力傳感器的輸出結(jié)果就是外部壓力變化引起的電壓輸出變化，與溫度變化無(wú)關(guān)。理論上通過(guò)上述硬件溫度補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢砸种茰囟绕普`差。 2 有限元應(yīng)力模擬仿真 為使硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器輸出具有良好的線性度和靈敏度，需要選擇合理的膜片參數(shù)。膜片過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致比較大的非線性誤差，過(guò)厚又會(huì)導(dǎo)致靈敏度下降。考慮到加工工藝的水平，本文設(shè)定膜片厚度為20um。在0 ~ 1 000 kPa滿(mǎn)量程的情況下， 傳感器膜片長(zhǎng)度和厚度需滿(mǎn)足式。
式中:為硅的泊松比，G為硅的楊氏模量，B 為滿(mǎn)量程壓力，根據(jù)式可以計(jì)算得到應(yīng)變膜邊長(zhǎng)a≤1 182 um。本文選取膜邊長(zhǎng)為900 um 。由于制作傳感器的SOI晶圓的硅襯底厚度為650um ，濕法腐蝕角度為57.74°，計(jì)算得出C 型硅杯窗口的大小為1 792 um。 為了驗(yàn)證理論分析的合理性，我們利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器進(jìn)行建模與應(yīng)力分析，從而最終確定傳感器的尺寸參數(shù)。有限元模擬仿真所采用的材料的物理屬性如表1所亦。
表 1 有限元仿真材料參數(shù) 圖 2( a ) 和 圖 2 ( b ) 分別給出了外部施加100kPa壓力情況下異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器膜片位移云圖和 Von M ises應(yīng)力分布云圖。從圖2 ( a ) 中可以看出，在應(yīng)力作用下，傳感器最大位移發(fā)生在應(yīng)變薄膜中心，這保證了應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布。在圖2 ( b ) 中，最大應(yīng)力分布在應(yīng)變薄膜的4個(gè)邊緣中間部位，不難發(fā)現(xiàn)， 兩個(gè)硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)正好位于應(yīng)變薄膜最大應(yīng)力處，而參考結(jié)構(gòu)則位于應(yīng)變薄膜的外側(cè)，基本上沒(méi)有受到應(yīng)力的影響，有限元仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述理論設(shè)計(jì)的合理性。 然后在0~1000 kPa大量程范圍內(nèi)逐漸改變施加壓力大小，根據(jù)ANSYS有限元模擬仿真的結(jié)果可提取得到傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)的內(nèi)部平均應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力與外部施加壓力的關(guān)系曲線如圖3 ( a ) 所示。由圖3可知隨著外部施加壓力不斷增加，硅鋁異質(zhì)傳感構(gòu)的 部應(yīng)力現(xiàn)出線性 大，參構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力基本無(wú)變化，這與預(yù)期結(jié)果相吻合。在施加1mA的條件下，結(jié)合式（2 ) 〜式（4 )我們可以 計(jì)算出硅鋁異構(gòu)傳感器的等效電阻隨外部壓力 變化的理論值，3 ( b )所 。由圖3 (b ) 計(jì)算得出常溫下傳感結(jié)構(gòu)理的靈敏度為0.098 5 m V / ( V • kPa )， 兩個(gè)傳感結(jié)構(gòu)同時(shí)測(cè)量， 靈敏度將增加一倍。
圖 2 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器有限元模擬仿真的結(jié)果
(a)傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力與外部壓力的關(guān)系
(b)傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)等效電阻與外部壓力的關(guān)系 圖 3 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的有限元仿真結(jié)果 3 傳感器制作工藝流程 本文采用標(biāo)準(zhǔn) MEMS工藝制作鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器， 特殊的工藝和材料。選用的SOI晶圓的單晶硅器件層厚度為1.5 um 、二 氧化硅層厚度為1 um 、襯底硅厚度為650 um 。具體制作工藝流程如圖：
圖 4 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的制作工藝流程示意圖 步驟1 離子注入以 7°角度和20 keV 能量在SOI器件層注入1x1018 Dose/cm3 的硼離子，然后SOI硅片放入1000 _ 退火爐中快速退火30 min 使硼離子 。 步驟2 熱氧化將SOI硅片熱氧化形成厚度約為1 um 的二氧化硅鈍層。 步驟3 光刻刻蝕刻膠，利用硅鋁異構(gòu)中硅壓阻條結(jié)構(gòu)及引出端的掩膜版進(jìn) 行光刻顯影。然 SFb, * 的混合ICP法刻蝕二氧化硅鈍化層和頂層硅，形硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的硅壓阻條結(jié)構(gòu)及引出端。接 對(duì)硅 壓阻條結(jié)構(gòu)及引出的二氧化硅鈍化層 進(jìn)行光刻刻蝕，形硅壓阻條與金屬鋁條的接觸孔。 步驟4 濺射鋁采用 O R IO N -8 -U H V薄膜沉積設(shè)備層厚度的鋁，然用掩膜版光刻刻蝕出金屬鋁條、金屬鋁引線和鋁 。 步驟5 腐蝕硅杯先對(duì)硅襯底二氧化硅鈍化層進(jìn)行光刻刻蝕，然用溫度80 _ 的 TMAH 法腐蝕底層硅形成C 型硅杯，硅杯頂部即為傳感器的應(yīng)變薄膜，尺寸為 900 um x 900 um x 20 um ，接部氧化硅。 步驟6 鍵合在300 _ 的環(huán)境下， 用鍵合技術(shù)將SOI晶圓鍵合硅基 ，并行劃片。 圖 (a)給出了硅鋁異 構(gòu)壓力傳感器芯片的顯微鏡照片，圖 (b ) 裝 的傳感器實(shí)物。整個(gè)芯片的面積為3 000 u m x 3 000 um 。從圖出下兩個(gè) 硅鋁異構(gòu)（傳感結(jié)構(gòu)）傳感器應(yīng)變薄膜內(nèi)側(cè)，左右兩個(gè)（參 構(gòu)）處外側(cè)，符合設(shè)計(jì)要求。
圖 5 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器芯片實(shí)物圖 4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 標(biāo)定測(cè)試平臺(tái)的示意圖如圖6所示，實(shí)驗(yàn)中采用德國(guó)G E -D ruck壓力控制器PACE5000作為標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器，其測(cè)量精度優(yōu)于±0.03% FS。首先將硅鋁異構(gòu)壓力傳感器放人溫度箱，并導(dǎo)氣管接通傳感器與壓力控制器。然引出傳感器的測(cè)量引線并接用的和用于測(cè)量的萬(wàn)用表。調(diào)溫度箱的溫度從-2 0 ℃變化到60℃， 同的溫度點(diǎn)將壓力從0 kPa變 1000 kP a， 并 1 0 0 kPa作 個(gè)壓力測(cè)試點(diǎn)。在 1 mA 條件下， 下同溫度和不 同壓力時(shí)硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)和參構(gòu)測(cè)量引腳的電壓輸出。
圖 6 標(biāo)定測(cè)試平臺(tái)的示意圖 圖7出了不同溫度下硅鋁異 構(gòu)壓力傳感器的輸出曲線。與理論分析相對(duì)應(yīng)，考慮到恒流源供電， 出電壓變化換算阻變化。由7 (a) 出，不同溫度下硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)的出外部施加壓力升高調(diào)遞增，常溫下其阻為32.32Ω，這與理論計(jì)算值基本吻合。當(dāng)溫度由-20℃升高到60℃時(shí)，傳感結(jié)構(gòu)的阻隨之變小，硅鋁異構(gòu)壓力傳感器的靈敏度由0.107 2 m V /(V .kP a )變?yōu)?0.123 4 m V /(V .k P a )。該傳感器性溫度漂移。 溫度影響，正如所述，我們?cè)谕恍酒瑧?yīng)變薄膜外側(cè)硅鋁異參構(gòu)， 理對(duì)壓力敏感外溫度變阻變硅鋁異質(zhì)參構(gòu)的測(cè)7 (b )所示，而由圖7， 出基壓力加變 ， 溫度增加而減小，常溫下阻為30.35Ω 。傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)等效電阻 差異主要是由于制作工藝中的偏差造成的，例如，摻度 、硅鋁材料本身的缺陷以及光刻刻蝕的偏差，這程度上影響硬件溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?/span>
圖 7 不同溫度時(shí)硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器輸出曲線 將硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)與參構(gòu)的測(cè)做差理，在硬件溫度 ，傳感器出結(jié)果的溫度漂移問(wèn)題得好的改善，這參構(gòu)進(jìn)行溫度是有效的。 同溫度下的電阻差分值△R做平均處理，根據(jù)平均值曲線計(jì)算可得其靈敏度約為0.116 & m V /( V·kPa)， 由于硅鋁異構(gòu)壓力傳感器芯片上包含兩個(gè)相同的傳感結(jié)構(gòu)，因理靈敏度高一 倍 ，這要大于基于傳統(tǒng)體硅壓阻效應(yīng)的壓力傳感器的靈敏度（0.061G V /(V • k P K )
圖 8 硬件溫度補(bǔ)償后的結(jié)果 5 基于遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合處理 基于遺傳算法改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理為: 用遺傳算法構(gòu)成一個(gè)不斷進(jìn)化的序列，根據(jù)特 方式獲得全局性基礎(chǔ)解，然而計(jì)算得的基礎(chǔ)解作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ，省絡(luò)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò) ，使得絡(luò)更易更快速得題的基礎(chǔ)解。基遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程9所 ，先對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接因子和平移因子進(jìn)行隨機(jī) ，基礎(chǔ)遺傳算的第1代個(gè)， 重復(fù)操作次形模的種族。然由經(jīng)前向傳播算法求得組網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出。 用的適應(yīng)度函數(shù)如下：
式中:M學(xué)習(xí)樣本數(shù)，e為小波網(wǎng)絡(luò)期望輸出值Yk與實(shí)際輸出值yk之間的誤差。從式（9 )可以看出誤差越大，適應(yīng)度越小。計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，淘汰適應(yīng)度較小的值，接著進(jìn)行交叉變異等操作，重復(fù)訓(xùn)練直到滿(mǎn)足關(guān)系或達(dá)到迭代次數(shù)，有關(guān)遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)。
圖 D 基于遺傳算法改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流程圖 將硬件溫度 的數(shù)據(jù)作為G A-W NN算法 的樣本數(shù)據(jù)，首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。然后利用 M ATLA B建立基于遺傳算法改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。神經(jīng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)為2個(gè)等效電阻值與溫度值，隱含層為11個(gè)點(diǎn) ，輸出層為1個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力。動(dòng)量因子為0.01，學(xué)習(xí)速 0.001，最大次數(shù)為2 000次。 遺傳算法的參數(shù)如下:交 0 .75,變異0.08，初始化群種規(guī)模為200。在 0〜1000kPa滿(mǎn)量程范圍，硅鋁異構(gòu)壓力傳感器經(jīng)過(guò)GA-WNN算法處理后的 預(yù)測(cè)輸出和預(yù)測(cè)誤差 10(a)和10 (b)所示 。
GA-WNN算法補(bǔ)償結(jié)果 從圖1 0(a) 出個(gè)與預(yù)測(cè)的輸出均吻合， 溫度漂移的影響基本消除，傳感器的性能得1 0(F) 發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)的絕對(duì)誤差最大超過(guò)15kPa，測(cè)誤差±1.5% FS。由此可見(jiàn)經(jīng)過(guò)G A -W N N算法數(shù)據(jù)融合硅鋁異構(gòu)壓力傳感器的測(cè)量誤差顯著 ，這主要?dú)w因于GA-W算法顯著減小了硅鋁異構(gòu)傳感器的非線性誤差。 10(a)中的數(shù)據(jù)，利用式（8) 計(jì)算得同溫度下整體的非線性誤差為1.36%，這明顯小于補(bǔ)償前的整體非線性誤差3.56% 。 6 結(jié)論 本文著重設(shè)計(jì)和研究種新型的基于硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)和參構(gòu)的大量程壓力傳感器，首先ANSYS對(duì)傳感器進(jìn)行了應(yīng)力和靈敏度仿真，驗(yàn)硅鋁異傳感器 高靈敏度。 次設(shè)計(jì)了傳感器的制作工程，并根據(jù)工藝流 ， 程和設(shè)計(jì)模型制作了硅鋁異構(gòu)傳感器芯片。然而用溫度箱和高精度壓力發(fā)生器對(duì)硅鋁異構(gòu)壓力傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和標(biāo)定。主要采用了硬件 溫度方式和基于遺傳算法改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)傳感器進(jìn)行 。研究，GA-WNN算法顯著傳感器的溫度漂移和非線性誤差，傳感器的性能。本文的研究對(duì)于高靈敏度傳感器研制的參考價(jià)值。 參考文獻(xiàn)： 1 、 Smith C S . Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon * J +. Physical Review，1954， 94 ( 1 ) : 4 2 -4 9 . 2、 Barlian A A ， Parle W T ， Mallon J R ， et al. Review： Semiconductor Piezoresistance for Microsystems* J+. Proc IEEE 2009，9 7：513-552. 3、Khoshnoud F ， Silva C W de. Recent Advances in MEMS Sensor Technology-Biomedical Applications * J ] . IEEE Instrumentation and Measurement Magazine，2 01 2，1 5 ( 1 ) :8 - 1 4 . 4、Zhang J H ， Wu Y S ， Liu b Q ， et al. Research on High-Precision， Low Cost Piezoresistive ME MS-Array Pressure Transmitters Based on Genetic Wavelet Neural Networks for Meteorological Measurements. Micromachines ， 2015 ，6 :5 5 4 - 573. 5、聶萌，楊恒山. 一 種大量程壓力傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真 析 * J ] •傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2 0 1 7 ,3 0 (1 2 ):1 8 3 4 -1 8 3 8 . 6、He R ， Yang P. Giant Piezoresistance Effect in Silicon Nanowires * J ] . Nat Nanotechnol，2 00 6 ， 1 ( 1) ：4 2 -4 6 . 7、Milne J S ， Rowe A C ， Arscott S ， et al. Giant Piezoresistance Effects in Silicon Nanowires and M icrowires*J]. Phys Rev Lett，2 0 1 0 ,105 (2 2 ) ： 226802. 8、Winkler K ， Bertagnolli E ， Lugstein A. Origin of Anomalous Piezoresistive Effects in VLS Grown Si Nanowires * J ] . Nano L t t， 2 0 1 5 ,1 5:1 7 8 0 -1 7 8 5 . 9、Rowe A C ，Donoso-Barrera A ， Renner C h ， et al. Giant Room-Temperature Piezo resistance in a Metal-Silicon Hybrid Structure * J ] . Phys Rev Lett，2 0 0 8 ,100:145501. 10、 Hansen O ， Reck K ， Thomsen E V Giant Geometrically Amplified Piezoresistance in Metal-^Semiconductor H y b U Resistors * J ] . Journal of Applied Physics，2 00 8，1 0 4 ( 1 1 )：114510. 11、NgoHD ， TekinT ， VuTC ， eta lMEMS Sensor with Giant Piezoresistive Effect Using Me tall-Semiconductor Hybrid Structure * C ] //IE E E 16th International Solid-State Sensors， Actuators and Microsystems Conference(Transducers 2 0 1 1 )， 2011 ： 1018-1021. 12 、龍軍，關(guān)威，汪旭東，等•基于嶺回歸的壓力傳感器高精度測(cè)量 模型研究* J ] .傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2 0 1 7 ,3 0 (3 ):3 9 1 -3 9 6 . 13、陳君•基于L S -S V R的壓力傳感器溫度自補(bǔ)償策 略J] •傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2 0 1 7 ,3 0 (7 ):1 0 5 7 -1 0 6 1 . 14 、徐科，左 • 基 于 P S O -B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光纖壓力傳感器 溫度 研究* J ] .儀表技術(shù)與傳感器，2 0 1 6 (1 0 ): 1 - 5 ，9. 15、陳峰，等. 基于遺傳算法的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在 多組 檢測(cè)中的應(yīng)用J ] • 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2 0 1 6 ,2 9 ( 7 ) : 1109-1114. 16、孫以材，劉玉嶺，孟慶浩. 壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用M ] •冶金工業(yè)出版社，2000. 17、一種硅微壓阻式壓力傳感器的研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，（1 ) : 103 -1 0 5. 18、東陽(yáng).基于M EM S技術(shù)納米多晶硅薄膜壓力傳感器制作及特性研究[ D ] . 黑龍江:黑龍江大學(xué)，2014. 19、張加宏，楊敏等.基測(cè)量與數(shù)據(jù)融合的高精度硅壓阻式氣壓變送器的研制J] • 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2016， 29 ( 6): 8 26 -833. 班寧產(chǎn)品匯總 |
會(huì) 改變縱向和橫向電阻率，從而影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的等效電阻，這就是硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓阻效應(yīng)。
，不難發(fā)現(xiàn)在L / b 的比值較大 時(shí)，
，由此可知選擇合適長(zhǎng)寬比的 壓阻條可獲得較大的放大因子以及靈敏度。考慮到 實(shí)際加工工藝水平，硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的尺寸初步設(shè)計(jì)為：b = 55um ，l = 60 um ，L = 150um 。當(dāng)離子注人深 度為1.5um ，硼摻雜濃度為1X108 Dose /cm3 時(shí)，初始電阻率P0約為0.043。由于制作過(guò)程中熱氧化工藝去除了0.5um的頂層硅，因而壓阻條的實(shí)際厚h= 1 um 。此時(shí)根據(jù)式可以計(jì)算得到硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的初始理論電阻值約為31.8。值得注意的是，一般常溫或者慣常工作溫度下，金屬材料和半導(dǎo)體材料的電阻率都是隨著溫度升高而增大，根據(jù)常規(guī)電阻公式計(jì)算得出的電阻隨著溫度升高而增加。但硅鋁異質(zhì)混合結(jié)構(gòu)傳感器的工作原理和電阻公式發(fā)生了變化，根據(jù)硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)電阻計(jì)算式( 2 ) ~式( 4 )，考慮溫度對(duì)電阻率和壓阻系數(shù)的影響，可以計(jì)算得到在不同壓力條件下，硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度升高均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，這與本文后面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致。
