集成电路科学与工程导论 第九章 先进传感器技术.ppt

微机电系统传感器应用 磁学传感器 GMR自旋阀基本结构与磁阻特性曲线 TMR磁隧道结基本结构与磁阻特性曲线 磁学传感器将外界磁信号的变化转变成电信号的变化 可分为霍尔传感器、各向异性磁阻 (AMR) 传感器、巨磁阻 (GMR) 传感器和隧穿磁阻 (TMR) 传感器 GMR与TMR传感器具有电阻变化率大、灵敏度高和功耗低的特点 在工业生产，卫星导航和智能家居等方面有着广泛的应用前景 * 微流控肿瘤细胞筛选捕获 微机电系统传感器应用 医工交叉传感器 活体检测 高分辨率神经接口 太赫兹生物传感 * k——玻耳兹曼常数， e——电子电荷量， T——接触处的温度 NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。 * 微机电系统传感器 MEMS vs 传统机械 * 微尺寸效应 表面与界面效应 量子尺寸效应 加工方式 微机电系统传感器 微机电系统传感器实例 * 微机电系统传感器 微机电系统传感器实例 * 微机电系统传感器相关理论 硅的晶体结构基本概念 * 硅的晶胞结构 金刚石立方形式=面心立方结构+沿对角线错位1/4 晶格常数a=5.43 ? 每一个硅原子和与之紧邻的四个硅原子组成一个正四面体结构 微机电系统传感器相关理论 硅的晶体结构基本概念 * 密勒指数 晶面与晶面族——（ ），三点性质，一般简称晶面 不平行的晶面族——{ } 晶向——[ ] 微机电系统传感器相关理论 微观力学分析假设 * 材料性质——无缺陷晶体 材料变形——原子偏离晶格节点原平衡位置 几何模型—— 所有格点用位置矩阵表达 空间节点铰接桁架结构模型 晶格点上的作用力—— 惯性力（外力）+原子间作用力 （内力） 边界条件 接触面固定，则该面上所有的位移为零 晶体内晶面之间的关系 原理——将晶格视为空间珩架进行有限元分析 分析前提——理论假设 微机电系统传感器相关理论 微观尺度效应 * 尺度缩小到微米以下将会带来不同物理后果；有些尺度的微型化在物理学上是行不通的 动力学例：大象S/V=10-4/mm，蜻蜓S/V=10-1/mm 1、几何结构学中的尺度效应 影响到：动力学惯量、流体表面力、热惯量与热传递 1. 导致微机电系统的惯性小、热容量低，容易获得高灵敏度和快响应。 2. 导致微机电系统的前端装置如微传感器的输出信号十分微小，所以必需创造新的测量设备。 微机电系统传感器相关理论 微观尺度效应 * 传感器材料 MEMS传感器的制程与CMOS在工艺材料、工序和设备上具有一定的兼容性。因此硅及硅化合物、III-V族材料、高分子聚合物等常用于MEMS传感器的加工。形状记忆合金、磁致或电致伸缩材料常用于微执行器模块。 （一） 硅及硅化合物 图9.4.1 硅片及玻璃片 硅晶体的传感特性 物理量 信号变换效应 光，辐射 光电效应，光电子效应，光电导效应，光磁电子效应 应力 压阻效应 热，温度 赛贝克效应，热阻效应，P-N结， 磁性 霍尔效应，磁阻效应 离子 离子感应电场效应 硅材料本身存在诸多传感效应 硅与其他材料特性对比 硅来源广，地球表层含量高； 加工技术源自CMOS工艺，硅是最常用的集成电路材料； 屈服强度高，与不锈钢相比拟，几乎没有疲劳失效问题； 单晶硅 硅分为单晶硅、多晶硅和非晶硅 单晶硅内，原子呈周期性排列，每个硅的4个外层电子分别与4个邻近硅原子的1个外层电子形成共价键，组成中心有1个硅原子、4个顶点上有4个硅原子的四面体单元。 多个四面体构成的面心立方结构(face centered cubic,FCC) 称为金刚石结构 2 硅化合物 二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）是微系统中常用的三种硅化合物。 二氧化硅在微系统中有三个主要应用： （1）作为热和电的绝缘体 （2）作为硅衬底刻蚀的掩膜 （3）作为表面微加工的牺牲层 二氧化硅的性质： 石英 石英是SiO2的化合物。石英的一个单位晶胞是四面体形状，三个氧原子分别位于四面体底部的三个顶点，一个硅原子在四面体的另一个顶点上。垂直于基面的轴叫Z轴。石英晶体结构是六个硅原子组成的圆环。 石英几乎是用作传感器的理想材料，因为它几乎绝对的尺寸热稳定性。它用于市场中的许多压电器件中，石英晶体的商业应用包括手表、电子滤波器和谐振器。石英是应用于微流体生物医学分析的理想材料 氮化硅与碳化硅 氮化硅（Si3N4）具有许多吸引MEMS和微系统的突出特性。它可以有效地阻挡水和离子，如钠离子，的扩散。氮化硅超强抗氧化和抗腐蚀的能力使其适于作深层刻蚀的掩膜。氮化硅可用作光波导以及防止水和其它有毒流体进入衬底的密封材料。它也被用作高强度电子绝缘层和离子植入掩膜 碳化硅（SiC）在微系统中的基本应用是利用其在高温下化学性质的稳定