高固有频率纳米膜压阻加速度传感器研究

Piezoresistive acceleration sensor is the earliest commercialized MEMS accelerometer which is with the advantages of low cost, easy integration and so on. However, the temperature drift of this sensor is large relatively, and there is a kind of weakness that the sensitivity and the resonant frequency are restricted with each other. Based on heavily doped polysilicon nano-films with better piezoresistive properties and good temperature stability, a new acceleration sensor with main beams and ultra-thin-sensitive micro-beams will be designed in this project. Utilizing the nano-film piezoresistive micro-beams with extraordinary mechanical properties and good piezoresistive characteristics, the sensitivity and the temperature characteristics of the acceleration sensor can be improved. Through the optimization designs of the structures of the main beam and micro-beam, the mutual restraint between sensitivity and natural resonant frequency can be avoided very well, and then the resonant frequency and sensitivity will be coordinated to improve. After breakthrough in the key technologies of micro-beam processing, chip passivation and encapsulation, the new sensor samples will be developed. Finally, the feasibility and advantages of the new sensor will be verified. The launching of the project is expected to obtain creative achievements in the fields of tunneling piezoresistive effect, nano composite film micro-beam mechanical characteristics, and new type acceleration sensor development. In the background that there is more and more attention is paid to the sensor technology, these achievements will be with a broad application prospect.

压阻式加速度传感器是最早实现商品化的MEMS加速度计，具有成本低、易于集成等优势，但温漂较大，存在灵敏度与固有谐振频率相互制约的普遍弱点。重掺杂多晶硅纳米膜具有良好的压阻特性和温度稳定性，本项目将基于这种纳米功能材料设计一种带有主梁和超薄敏感微梁的MEMS加速度传感器。利用纳米膜压阻微梁之超常的机械特性和良好的压阻特性，提高灵敏度，改善温度特性；通过对该敏感结构之主梁和微梁的合理设计，解决加速度传感器中普遍存在的谐振频率与灵敏度相互制约的难题，达到均衡提高固有谐振频率和灵敏度的目的；突破微梁加工和芯片钝化、封装等关键技术，研制出新型加速度传感器样品，并最终验证这种压阻加速度传感器的可行性及优势。该项目的开展可望在隧道压阻效应、纳米复合膜微梁力学特性以及新型加速度传感器技术等方面的研究中获得创新性成果。在传感技术日益受到高度重视的背景下，这些成果将具有广阔的应用前景。

压阻式加速度传感器是最早实现商品化的MEMS加速度计，具有成本低、易于集成等优势，但温漂较大，存在灵敏度与固有谐振频率相互制约的普遍弱点。为克服其弱点，本项目基于SOI技术设计了带有主梁和超薄敏感微梁的新型MEMS加速度传感器芯片。利用SOI超薄敏感微梁之超常的机械特性和良好的压阻特性，提高过载能力，改善温度特性；通过对该敏感结构之主梁和微梁的合理设计，解决了加速度传感器中普遍存在的谐振频率与灵敏度相互制约的难题，实现了均衡提高固有谐振频率和灵敏度的目的。这种拥有自主知识产权的MEMS加速度敏感芯片，对研制微小量程（几十毫g）和超大量程（10万g）传感器具有重要意义，在民用和军工领域都有广泛的应用前景。. 为研制超薄敏感微梁，对多晶硅薄膜力学特性进行了实验研究，得到了抗拉强度与厚度之间的关系，其数据对研制高过载传感器具有重要价值。以此为基础给出了高过载加速度敏感芯片和压力敏感芯片的设计方法，并成功研制了量程为2.5MPa过载超过18MPa的牺牲层结构压力传感器芯片样品。在该芯片研制中，采用氮化硅和氧化硅薄膜分别以多种形式进行了钝化和封装等技术的研究，得到了消除芯片残余应力效果很好的钝化和封装等技术，该技术对后续的产品开发尤为重要。. 基于纳米复合材料力学特性的实验研究，设计了自驱动、自感知悬臂梁传感器，并基于此设计了用于重金属离子集成化检测的微全分析系统芯片。这项研究随着后续工作的深入开展，有望在环保领域得到很好的应用前景。悬臂梁传感器也是原子力显微镜等精密仪器的关键部件，目前这项技术仍被国外控制，因此开展这方面的研究十分必要。. 在理论研究方面，建立了具有定量意义的多晶硅隧道压阻模型。所建立的模型不仅能描述多晶硅纳米膜的压阻特性，也将适用于普通多晶硅薄膜。这部分研究成果丰富了硅材料的压阻理论，对压阻式传感器的开发提供了理论支撑。