(111)硅片的高性能热堆式气体流量传感器及其封装技术研究

流量测控在生物医疗、农业监测、汽车电子等方面具有举足轻重的作用。针对现有热堆式气体流量传感器普遍存在着器件尺寸大、灵敏度低、成本高等不足,基于(111)硅片的单面微机械加工工艺设计了一款p⁺ Si/Au热电堆式气体流量传感器。采用高塞贝克系数的p⁺ Si/Au材料制作热电偶,结合“鱼骨状”隔热薄膜和嵌入式隔热腔体结构,最大程度增大了器件的热阻,降低了热损耗,提升了器件的灵敏度。同时,热电偶冷端与单晶硅衬底之间采用高导热的复合金属相连,不仅增大了热电偶冷热端之间的温度差,而且简化了工艺的复杂度。得益于单面微机械加工工艺,传感器尺寸仅有0.65 mm×0.65 mm。在此基础上,基于气体流道封装以及信号处理电路,设计了集传感器芯片,气流流道以及处理电路于一体的气体流量检测模块。测试结果表明,在320倍电压放大及1.0 V的电压偏置下,该器件的归一化灵敏度约为5.4 mV/sccm/mW,响应时间为1.44 ms。     

片上集成MEMS射频滤波器

研究采用MEMS工艺技术制造可在硅集成电路片上集成的射频滤波器.MEMS工艺技术实现了高性能嵌入式螺管电感和金属-绝缘层-金属电容元件的集成制造.整个微加工制造工艺为低温工艺,可与CMOS集成电路工艺实现后端集成.基于此工艺,设计和实现了应用于5 GHz射频频段的微小化的片上集成滤波器,包括一种低通滤波器和一种带通滤波器.测试结果表明,5阶低通滤波器的 -1.5 dB 转折频率在5.3 GHz频率,从直流到5 GHz频率的插入损耗小于1.06 dB.实现的带通滤波器为两阶谐振耦合式,在中心频段5.3 GHz的最小插入损耗为4.3 dB,通带内的回波损耗大于13 dB.研究结果表明:该微加工技术适用于无源器件和滤波器电路的CMOS后端集成,适合高性能射频片上系统的应用.     

直接淀积式Ge—Au薄膜应变计的工艺研究

直淀式Ge—Au薄膜应变计全部采用平面工艺,应变电阻和内引线全部薄膜化。通过对Ge、Au双源淀积应变电阻工艺的研究,使得灵敏系数K达到25以上,电阻温度系数α低于±2×10~(-4)/℃。同时消除了应变胶的蠕变效应,提高了传感器的精度和可靠性。     

高精度硅电容压力传感器的研究

本文介绍了一种采用微机械技术形成的电容压力传感器。在设计上采用完全对称的三层结构，从而较好地消除由温度特性不匹配造成的漂移。利用Ｄｉｏｄｅ－ｑｕａｄ接口电路的输出增益反馈方式基本消除了器材固有的非线性，使传感器的精度大大提高。     

二极管交流桥式硅电容压力传感器接口电路的研究

通过对多种电容传感器接口电路的列举和特性的比较,选取4个二极管交流桥式接口形式。分别通过解析计算及利用SPICE程序进行计算机模拟,对电路的特性进行了详细的分析。最后介绍了利用Diode-Quad电路进行传感器接口电路构成的实验。     

硅微型传感器的现状与发展趋向

采用与标准集成电路工艺相兼容的技术来制作微型传感器是近来所能达到的,这将有助于将传感器、执行器的元件部分与接口电路集成为一体,来形成微系统。如加速度计、谐振传感器和化学传感器等发展的例子都可以证明这一点。     

用于超高密度存储的硅基纳机电探针阵列器件研制

本文研制一种用于超高密度数据存储的硅基纳机电探针阵列器件.简要介绍了器件结构及其工作原理,并通过理论计算和有限元模拟相结合的方法实现器件的结构设计.并运用先进的微纳加工工艺技术制造出相应的器件,具体包括:先进的纳米硅尖制造技术、高电隔离性的加热电阻制作技术及其纳机电探针上加热电阻与压阻传感器集成技术等.室温下,测得该器件加热电阻器的阻值为(500～600) Ω,压阻传感器的阻值为(6～8) KΩ,在2×10-7 N预力作用于针尖处时,悬臂梁上的压阻器件灵敏度(电阻相对变化)达到了3.12×10-4,满足纳米数据坑读出对于灵敏度要求;纳米针尖曲率半径小于40 nm,满足器件高密度存储对于硅尖要求.建立一套适用于该纳机电探针的电热理论模型,利用该模型计算的结果与器件电热测试结果相吻合.     

二极管型红外焦平面阵列的噪声分析及结构优化设计

二极管非制冷红外焦平面阵列(IRFPA)探测器具有广阔的前景,然而它的性能受噪声源的制约,为了得到高性能的探测器,必须研究噪声源并减小其影响。概述了探测器噪声源,量化并研究了不同噪声对探测器的影响,最后得到了二极管IRFPA的性能极限,此外,计算得到了最优的结构参数。理论研究表明温度起伏噪声对应的最小噪声等效温差(NETD)为2.36K,此时探测器热导为辐射热导,其值为2.06nW/K。当单元尺寸为25μm×25μm的探测器的正向偏置电流为33μA,占空比为54%时可得到最优NETD为46.5mK。     

采用快速微分输出贩氯气传感器

介绍了一种新型氯气传感器。通过对敏感材料的研究和采用混合集成电路工艺，使器件具较高的可靠性和批量制造能力。最后介绍了利用该传感器和微分检测电路构成的工业氯报警系统。     

硅基纳机电探针及其敏感和执行特性

阐述了集成纳机电探针实现超高密度存储的工作原理,并对所设计的结构进行了力学理论计算和有限元模拟.采用硅基微纳机械加工工艺,将压阻敏感器和电热纳米针尖一体集成到硅悬臂梁上,实现器件制作.对加热电阻进行温度标定,得到了加热电阻与温度间二次关系曲线.在此基础上对器件进行微秒级瞬态电热特性分析和测试,测试结果与理论计算结果和有限元模拟结果都有较好的吻合.测试结果表明在4V脉冲电压下,加热时间为3μs 时,针尖温度达到463.15K,相应的加热电阻的降温时间常数为6.2μs,数据写入速度达到近百kHz.悬臂梁上的压阻器件敏感度(电阻相对变化)在2×10-7N预力作用针尖处时,达到了5.41×10-4,满足纳米数据坑读出灵敏度的要求.