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微电子机械系统(MEMS,Microelectromechanical Systems)是指将传感器、执行器与集成电路集成于一体的微系统。作为MEMS的基本元件,传感器与执行器的功能在于完成非电信号与电信号的转换,在信号转换过程中,各种耦合效应起到了重要的作用,因此,耦合效应是MEMS需要研究的重要课题之一。常见的耦合效应包括:压阻效应、压电效应和电致伸缩效应等。除了这些力电耦合效应外,还存着一种耦合效应称之为“介电伸缩”效应,它描述了介质的介电常数与机械应力(应变)之间的耦合关系。开展介电伸缩效应的研究具有重要的意义,一方面随着集成电路按比例缩小以及应变硅技术的广泛应用,栅介质受到的机械应力越来越大。介电伸缩效应造成的介质介电常数的改变可能会影响晶体管的性能。另一方面,作为一种新型的力电耦合效应,介电伸缩效应必将引出一类新型的MEMS器件,并为器件设计提供新的思路。令人遗憾的是,在MEMS和集成电路领域,尚没有对介电伸缩效应进行研究。
本文的主要研究工作包括以下几个方面:
第一.针对各种微加工介质薄膜,提出了介电伸缩系数的实验提取方法,利用弯曲的单边固支薄板结构对介质薄膜施加应力,同时,利用MIS(Metal Insulator Semiconductor)结构的检测电容对介电常数进行表征。
第二.基于悬臂梁的大挠度弯曲理论,建立了测试样品的形变模型,并根据探针加载的特点以及变截面条件、复合结构条件、薄板条件和残余应力条件等对形变模型进行了改进。为了验证模型的准确性,将理论模型的计算结果与Ansys有限元软件的计算结果进行了对比。结果表明理论模型具有良好的精度。
第三.结合单边固支薄板测试样品的形变模型,考虑检测电容的应力应变响应特性,建立了介电伸缩系数的参数提取模型。
第四.针对热氧化硅和LPCVD氮化硅这两种MEMS常用的介质材料,设计了提取介电伸缩系数的测试结构,利用MEMS体硅加工工艺制备了测试样品,并搭建了参数提取的测试系统,给出了相应的测量结果。根据测量,热氧化硅的介电伸缩系数M12=(-2.2±0.1)×10-22 m2／V2,LPCVD氮化硅的介电伸缩系数M12=(-1.23±0.05)×10-22 m2／V2。最后,讨论了造成实验误差的各种因素。
第五.作为介电伸缩效应的应用,提出了一种新型的传感器敏感机制——压容敏感机制。为了演示压容式传感器的工作方式,设计了一种压容式气压敏感结构以及一种压容式流量计结构。利用体硅加工工艺制备了相应的测试样品,进行了初步的测试。其中气压敏感结构的灵敏度为0.55fF／kPa,流量计结构的灵敏度为0.34fF／ms-1。最后,将压容敏感机制与压阻敏感机制以及传统的电容敏感机制进行了对比,指出了压容敏感兼具了压阻敏感和传统电容敏感的优点。
本文首次提出了微加工薄膜介质的介电伸缩系数测量方法。为介电伸缩系数的实验研究提供了有效的手段。同时,本文给出的压容敏感方式可以应用于多种力学传感器,为MEMS传感器的设计提供了新的思路。