發(fā)布時間：2018-06-30 09:37

  本文選題：加速度傳感器 + nc-Si:H�。� 參考：《黑龍江大學》2016年博士論文

【摘要】：加速度傳感器是微型慣性組合測量系統(tǒng)的核心器件。采用微機械加工技術制作的加速度傳感器廣泛應用于導航系統(tǒng)、自動控制、汽車、地震測量、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、測量加速度的范圍大、直接輸出電壓信號、接口電路簡單、適合大批量生產(chǎn),與標準IC工藝兼容等特點。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域進一步應用以及傳感器高靈敏度、小型化和多功能化研究奠定基礎。主要內容包括:1.基于nc-Si:H TFTs的加速度傳感器基本結構與工作原理采用CMOS工藝在自由端帶有質量塊的懸臂梁根部制作四個納米硅薄膜晶體管(nc-Si:H TFTs),形成惠斯通電橋結構,其中兩個nc-Si:H TFTs沿011晶向制作,而另外兩個nc-Si:H TFTs沿011晶向制作,以實現(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。由于懸臂梁根部受應力作用,在根部制作的四個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nc-Si:H TFTs溝道電阻的相對變化量是正值,而沿011晶向制作的兩個nc-Si:H TFTs溝道電阻的相對變化量是負值,使得惠斯通電橋兩臂不平衡,產(chǎn)生輸出電壓,從而將非電量信號加速度轉換為電信號輸出。針對基于nc-Si:H TFTs的加速度傳感器工作過程中懸臂梁根部nc-Si TFTs所受應力作用,根據(jù)壓阻理論從外加壓力P=0和P≠0兩方面對I-V特性進行詳述。2.基于nc-Si:H TFTs的加速度傳感器仿真研究、芯片設計、制作和封裝為了研究nc-Si:H TFTs的特性并實現(xiàn)高性能基于nc-Si:H TFTs的加速度傳感器設計制作,通過仿真軟件SILVACO和ANSYS分別對nc-Si:H TFT和加速度傳感器進行仿真研究。當nc-Si:H TFT的溝道長度縮小到10μm,采用ATLAS建立二維仿真模型,根據(jù)熱載流子能量平衡輸運原理,在VGS=3V、6V和9V條件下,nc-Si:Htft仿真模型的ids-vds特性出現(xiàn)負阻現(xiàn)象。通過柵氧化層與納米硅薄膜界面處的載流子復合率、平行于溝道表面方向的橫向電場強度和沿納米硅薄膜與柵氧化層界面處的縱向電場強度分布分析在夾斷區(qū)內熱載流子輸運對負阻特性的影響。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)×1500μm(寬)×62μm(厚)。對加速度傳感器靜態(tài)分析表明在距離懸臂梁根部150μm處δxx和δyy達到最大值,選擇壓阻效應最大區(qū)域,確定由4個nc-si:htfts構成的惠斯通電橋結構的最佳位置,優(yōu)化基于nc-si:htfts的加速度傳感器芯片設計,以求加速度傳感器性能的最佳條件。在靜態(tài)分析的基礎上,對有限元仿真模型進行模態(tài)分析以及諧響應特性分析,從而實現(xiàn)高靈敏度加速度傳感器的制作。在仿真研究的基礎上,詳細論述基于nc-si:htfts的加速度傳感器設計、制作工藝和芯片封裝。在n型100晶向高阻(ρ100Ω·cm)單晶硅襯底上,采用cmos工藝在懸臂梁根部制作四個長寬比l/w=80μm/40μm的nc-si:htfts,構成惠斯通電橋結構,其中兩個nc-si:htfts沿011晶向制作,而另外兩個nc-si:htfts沿011晶向制作。采用icp刻蝕的方法制作長和寬分別為6000μm和1500μm的懸臂梁,并形成位于懸臂梁自由端的質量塊,從而實現(xiàn)基于nc-si:htfts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的存儲電路為實現(xiàn)基于nc-si:htfts的加速度傳感器輸出信號的數(shù)字化存儲,本課題進一步探討加速度傳感器模數(shù)轉換及存儲問題。設計并制作了基于雙穩(wěn)態(tài)電阻開關ito/pvk/al的1t-1r一位存儲單元電路,提出傳感器數(shù)字化存儲的新技術方案。在加速度傳感器模數(shù)轉換的基礎上,采用非共軛聚合物材料聚乙烯咔唑(poly(n-vinylcarbazole),pvk)納米膜作為存儲層,研究雙穩(wěn)態(tài)電阻開關ito/pvk/al以及n-mosfet與雙穩(wěn)態(tài)電阻開關ito/pvk/al組成的1t-1r一位存儲單元電路特性。采用存儲材料pvk所制作的ito/pvk/al表現(xiàn)出非揮發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電阻開關特性,開啟電壓為-1v,on/off電流開關比接近104。在常溫下,由該有機電阻開關與n-mosfet組成的一位存儲單元電路在104s的編程時間里,具有較高的穩(wěn)定性,提出基于有機存儲材料實現(xiàn)加速度傳感器輸出數(shù)據(jù)數(shù)字化存儲的可行性方案,為實現(xiàn)壓阻式加速度傳感器輸出從模擬信號到數(shù)字信號的數(shù)據(jù)存儲奠定基礎。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LPCVD法制備的納米硅薄膜進行表征。并對采用該方法制備的L/W=80μm/40μm、L/W=160μm/40μm和L/W=240μm/40μm的nc-Si:H TFT s進行IDS-VDS特性測試。在基于nc-Si:H TFTs的加速度傳感器頻率特性測試中,對于納米硅薄膜厚度達到90nm的加速度傳感器,懸臂梁厚度由62μm增加到160μm導致加速度傳感器共振頻率由458.72Hz增加到1054.06Hz;對于懸臂梁厚度為160μm的基于nc-Si:H TFTs的加速度傳感器,隨著質量塊質量的增加,共振頻率由1054.06Hz減小到458.71Hz,但輸入與輸出信號之間產(chǎn)生1.08ms的延遲;加速度傳感器的共振頻率與所受外部振動信號的頻率有關,而與輸入振動波形無關。對已經(jīng)測試頻率特性的懸臂梁厚度為160μm且質量塊質量增加的加速度傳感器進行靈敏度測試,傳感器輸出信號經(jīng)儀表放大器放大,靈敏度為0.198V/g/5V。
[Abstract]:Acceleration sensors are the core components of the micro inertial measurement system. The accelerometers made with micromachining technology are widely used in the navigation system, automatic control, automobile, seismic measurement, military and space systems. The variety of accelerometers, in which the piezoresistive accelerometer has small volume and frequency. Wide range, wide range of measurement acceleration, direct output voltage signal, simple interface circuit, suitable for large mass production and compatible with standard IC technology. This subject studies the acceleration sensor based on nc-Si:H TFTs, further application of nano silicon film in the field of sensor, and sensor's high sensitivity, miniaturization and multi-function research The main contents are as follows: 1. based on the basic structure and working principle of the nc-Si:H TFTs acceleration sensor, four nanoscale silicon thin film transistors (nc-Si:H TFTs) are produced at the root of the cantilever beam with mass block at the free end, forming the structure of the Wheatstone bridge, of which two nc-Si:H TFTs are made along the 011 crystal, and the other two. The nc-Si:H TFTs is made along the 011 crystal direction to realize the acceleration sensor based on nc-Si:H TFTs. Under the action of acceleration, the cantilever beam is flexed by the bending moment. As the root of the cantilever beam is subjected to stress, the resistance value of the equivalent resistance of the four nc-Si:H TFTs channels produced in the root will change, and the two NC made along the 011 crystal will be changed. The relative variation of the -Si:H TFTs channel resistance is positive, while the relative variation of the resistance of the two nc-Si:H TFTs channel along the 011 crystal is negative, making the two arms of the Wheatstone bridge unbalanced and producing the output voltage, thus converting the acceleration of the non electric signal to the electrical signal output. For the acceleration sensor based on nc-Si:H TFTs, the acceleration sensor works. In the course of the stress action of the nc-Si TFTs of the cantilever beam root, according to the piezoresistive theory from the external pressure P=0 and P 0, the acceleration sensor simulation of.2. based on nc-Si:H TFTs is detailed. The chip design, fabrication and encapsulation are used to study the characteristics of nc-Si:H TFTs and achieve high performance based on the acceleration transmission of nc-Si:H TFTs. The sensor is designed and made. The simulation study of nc-Si:H TFT and acceleration sensor is carried out by simulation software SILVACO and ANSYS. When the channel length of nc-Si:H TFT is reduced to 10 mu m, a two-dimensional simulation model is established with ATLAS. The nc-Si:Htft simulation model is based on the principle of the energy balance of the hot carrier and under the VGS=3V, 6V and 9V conditions. The effect of the carrier recombination at the interface between the gate oxide layer and the nano silicon film, the transverse electric field strength parallel to the channel surface and the distribution of the longitudinal electric field along the interface between the nanoscale film and the gate oxide layer at the interface between the nanoscale silicon film and the gate oxide layer influence the negative resistance characteristics of the hot carrier transport in the pinch zone. With ANSYS, a finite element model of the acceleration sensor is set up, the size of the chip is 10mm x 10mm x 500 mu m (thick), the size of the cantilever beam is 6000 m (long) * 1500 mu m (wide) x 62 mu m (thick). The static analysis of the acceleration sensor shows that the maximum value is reached at the 150 u m of the cantilever beam at the root of the cantilever beam, and the maximum area of the piezoresistive effect is selected and the 4 nc-Si is determined. The best position of the structure of the Wheatstone bridge is made up of htfts, optimizing the design of the acceleration sensor chip based on nc-si:htfts to optimize the performance of the acceleration sensor. On the basis of static analysis, the modal analysis and the harmonic response characteristic analysis of the finite element simulation model are carried out to realize the high sensitivity acceleration sensor. On the basis of simulation research, the design of acceleration sensor based on nc-si:htfts, fabrication process and chip packaging are discussed in detail. On the N type 100 crystal to high resistance (rho 100 Omega cm) single crystal silicon substrate, CMOS technology is used to produce four nc-si:htfts of long and wide ratio l/w=80 u m/40 mu m in the root of the cantilever beam, which constitutes the structure of the Wheatstone bridge, of which two Nc-si:htfts is made along the 011 crystal, while the other two nc-si:htfts are made along the 011 crystal. The cantilever beam with long and wide width of 6000 mu m and 1500 mu m is made by ICP etching, and the mass block at the free end of the cantilever beam is formed, thus the acceleration sensor based on nc-si:htfts is made. The chip area is 10mm x 10mm.3. acceleration sensing. The storage circuit of the output signal of the device is to realize the digital storage of the output signal of the acceleration sensor based on nc-si:htfts. This topic further discusses the problem of the analog conversion and storage of the acceleration sensor. A 1t-1r one bit storage unit based on the bistable resistance switch ito/pvk/al is designed and produced, and the digital storage of the sensor is put forward. On the basis of the modulus conversion of acceleration sensor, the non conjugated polymer material polythene carbazole (poly (N-vinylcarbazole), PVK) nano film is used as the storage layer to study the circuit characteristics of a 1t-1r one bit memory unit composed of bistable resistance switch ito/pvk/al and n-MOSFET and bistable resistor switch ito/ pvk/al. The ito/pvk/al produced by the storage material PVK shows the non volatile bistable resistance switch characteristic, the opening voltage is -1v, the on/off current switch ratio is close to 104. at normal temperature. A memory unit circuit composed of the organic resistor switch and n-MOSFET has high stability in the programming time of 104s, and it is proposed based on the organic storage material. The feasibility of the digital storage of the output data of the acceleration sensor is used to lay the foundation for the output of the piezoresistive acceleration sensor from the analog signal to the digital signal. The.4. based acceleration sensor based on the nc-Si:H TFTs is used to characterize the nano silicon thin film prepared by the LPCVD method by the XRD, the Raman spectra, the AFM and the SEM. The characteristics of the L/W=80 mu m/40 mu m, L/W=160 mu m/40 mu m and L/W=240 mu m/40 mu m nc-Si:H TFT s are tested. In the acceleration sensor based on the acceleration sensor, the cantilever beam thickness is increased from 62 to 160 Mu to the acceleration sensor. The resonant frequency of the sensor is increased from 458.72Hz to 1054.06Hz, and for the acceleration sensor based on nc-Si:H TFTs for the thickness of the cantilever beam 160 m, the resonance frequency decreases from 1054.06Hz to 458.71Hz with the mass of mass increase, but the delay between the input and output signals produces 1.08ms; the resonance frequency of the acceleration sensor and the outside of the acceleration sensor The frequency of the vibration signal is related to the input vibration wave. The sensitivity test for the acceleration sensor with the thickness of the cantilever beam of 160 mu m and the mass increase of the mass is tested. The sensor output signal is amplified by the instrument amplifier, and the sensitivity is 0.198V/g/ 5V.
【學位授予單位】：黑龍江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：2085842