一种新型集成静电场微型传感器的研究

摘要

环境电场检测系统的应用涉及航空、航天、国防、气象、电力等多个领域。而在大气电学研究和雷电气象预报中环境电场的检测更是具有十分重要的作用。根据感应原理的不同，静电场传感器主要分为电荷感应式和光学式电场传感器。而基于MEMS技术的微型电场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、便于与其它传感器集成和批量生产的优点。因此微型电场传感器的制造成本和使用成本都大大低于普通电场传感器，便于推广和应用，具有很大的潜在市场。本文研究的电场传感器是基于静态感应结构的静电场微型传感器。 首先回顾了电荷感应式和光学式电场传感器的发展过程，并给出了当前国内外电场传感器的最新进展。通过对MIS结构原理及电场中的半导体的研究，提出了一种新型的静态感应电荷的静电场微型传感器。其工作原理就是沟道表面将感应外界电场而使沟道电流发生变化，如外界电场入射n型沟道时，沟道电流随外界电场的增大而增大。与动态感应结构的电场传感器相比，静态感应结构的电场传感器的最大优点就是工艺简单、性能稳定和更易于集成化。然后推导了此基本感应结构的沟道电流随外界电场变化的关系式。接着在软件MEDICI中模拟了1000V/m外界电场时不同沟道长度、不同注入深度及注入浓度的结构的沟道电流、感应电流的变化情况，得到的模拟结果与理论推导的公式符合得很好。模拟结果显示沟道长2.0μm，沟道注入深度为0.16μm，且沟道注入浓度为2×10<'16>cm<'-3>的感应结构在0．1V电压和1000V/m的外场下，其电场感应电流为7nA，感应电流与沟道电流比值为0.16‰。然后具体分析了环境温度的变化和空间离子辐射对基本感应结构所造成的影响。针对基本感应结构会受环境温度的影响，设计了桥式结构。理论计算证明，桥式静电场感应结构的输出电压与外界电场成线性关系，并且能很好的抑制温漂。为了减小空间离子辐射对基本感应结构的影响，设计了SOI抗辐射结构及微加工抗辐射结构。第四章中给出了基本感应结构、SOI电场感应结构及微加工电场感应结构的工艺流程和在软件L—edit中绘制的桥式结构的版图结构。文章的最后对本文所做工作作了总结，并提出了存在的问题和后续工作的建议。 本文对静态感应结构的静电场微型传感器所做的探索性研究对制造实用化的集成静电场微型传感器有一定参考价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪 论

1.1静电场传感器发展概述

1.1.1电荷感应式静电场传感器

1.1.2光学式静电场传感器

1.2电场传感器的发展趋势

1.3本论文的主要工作

1.4结束语

第二章基本感应结构的设计、分析与模拟

2.1基本感应结构的设计

2.1.1半导体的表面态与表面电场效应

2.1.2电场中的半导体

2.1.3基本感应结构的设计及原理分析

2.2基本感应结构的公式推导及结构模拟

2.2.1公式推导

2.2.2结构模拟

2.3外界环境对感应结构的影响

2.3.1温度变化对感应结构的影响

2.3.2空间离子辐射对感应结构的影响

2.4 小结

第三章集成静电场微传感器结构的设计

3.1桥式静电场微传感器的工作原理及结构设计

3.1.1桥式电路的工作原理

3.1.2桥式结构静电场微传感器的结构设计

3.2抗辐射静电场微传感器的结构设计

3.2.1 SOI技术

3.2.2 SOI抗辐射结构

3.2.3微加工技术

3.2.4微加工抗辐射结构

3.3电场方向的判断

3.4小结

第四章集成静电场微传感器的工艺与版图设计

4.1集成静电场微传感器的感应结构部分的工艺流程

4.1.1基本感应结构的工艺流程

4.1.2 SOI抗辐射结构的工艺流程

4.1.3微加工抗辐射结构的工艺流程

4.2桥式电场微传感器的版图设计

4.3 小结

第五章结束语

5.1工作总结

5.2后续工作建议及展望

参考文献

附录

图表索引

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间申请的专利

致谢