MEMS介質(zhì)的介電應(yīng)變特性研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS,Microelectromechanical Systems)是指將傳感器、執(zhí)行器與集成電路集成于一體的微系統(tǒng)。作為MEMS的基本元件,傳感器與執(zhí)行器的功能在于完成非電信號與電信號的轉(zhuǎn)換,在信號轉(zhuǎn)換過程中,各種耦合效應(yīng)起到了重要的作用,因此,耦合效應(yīng)是MEMS需要研究的重要課題之一。常見的耦合效應(yīng)包括:壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)等。除了這些力電耦合效應(yīng)外,還存著一種耦合效應(yīng)稱之為“介電伸縮”效應(yīng),它描述了

2、介質(zhì)的介電常數(shù)與機(jī)械應(yīng)力(應(yīng)變)之間的耦合關(guān)系。開展介電伸縮效應(yīng)的研究具有重要的意義,一方面隨著集成電路按比例縮小以及應(yīng)變硅技術(shù)的廣泛應(yīng)用,柵介質(zhì)受到的機(jī)械應(yīng)力越來越大。介電伸縮效應(yīng)造成的介質(zhì)介電常數(shù)的改變可能會影響晶體管的性能。另一方面,作為一種新型的力電耦合效應(yīng),介電伸縮效應(yīng)必將引出一類新型的MEMS器件,并為器件設(shè)計提供新的思路。令人遺憾的是,在MEMS和集成電路領(lǐng)域,尚沒有對介電伸縮效應(yīng)進(jìn)行研究。
　　 本文的主要研究工

3、作包括以下幾個方面:
　　 第一.針對各種微加工介質(zhì)薄膜,提出了介電伸縮系數(shù)的實驗提取方法,利用彎曲的單邊固支薄板結(jié)構(gòu)對介質(zhì)薄膜施加應(yīng)力,同時,利用MIS(Metal Insulator Semiconductor)結(jié)構(gòu)的檢測電容對介電常數(shù)進(jìn)行表征。
　　 第二.基于懸臂梁的大撓度彎曲理論,建立了測試樣品的形變模型,并根據(jù)探針加載的特點以及變截面條件、復(fù)合結(jié)構(gòu)條件、薄板條件和殘余應(yīng)力條件等對形變模型進(jìn)行了改進(jìn)。為了驗證模

4、型的準(zhǔn)確性,將理論模型的計算結(jié)果與Ansys有限元軟件的計算結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明理論模型具有良好的精度。
　　 第三.結(jié)合單邊固支薄板測試樣品的形變模型,考慮檢測電容的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特性,建立了介電伸縮系數(shù)的參數(shù)提取模型。
　　 第四.針對熱氧化硅和LPCVD氮化硅這兩種MEMS常用的介質(zhì)材料,設(shè)計了提取介電伸縮系數(shù)的測試結(jié)構(gòu),利用MEMS體硅加工工藝制備了測試樣品,并搭建了參數(shù)提取的測試系統(tǒng),給出了相應(yīng)的測量結(jié)果。根

5、據(jù)測量,熱氧化硅的介電伸縮系數(shù)M12=(-2.2±0.1)×10-22 m2／V2,LPCVD氮化硅的介電伸縮系數(shù)M12=(-1.23±0.05)×10-22 m2／V2。最后,討論了造成實驗誤差的各種因素。
　　 第五.作為介電伸縮效應(yīng)的應(yīng)用,提出了一種新型的傳感器敏感機(jī)制——壓容敏感機(jī)制。為了演示壓容式傳感器的工作方式,設(shè)計了一種壓容式氣壓敏感結(jié)構(gòu)以及一種壓容式流量計結(jié)構(gòu)。利用體硅加工工藝制備了相應(yīng)的測試樣品,進(jìn)行了初步的測