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加速度传感器是微型惯性组合测量系统的核心器件。采用微机械加工技术制作的加速度传感器广泛应用于导航系统、自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统等方面。加速度传感器种类多样,其中压阻式加速度传感器具有体积小、频率范围宽、测量加速度的范围大、直接输出电压信号、接口电路简单、适合大批量生产,与标准IC工艺兼容等特点。本课题研究基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器,为纳米硅薄膜在传感器领域进一步应用以及传感器高灵敏度、小型化和多功能化研究奠定基础。主要内容包括:1.基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器基本结构与工作原理采用CMOS工艺在自由端带有质量块的悬臂梁根部制作四个纳米硅薄膜晶体管(nc-Si:H TFTs),形成惠斯通电桥结构,其中两个nc-Si:H TFTs沿<011>晶向制作,而另外两个nc-Si:H TFTs沿<011>晶向制作,以实现基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器。在外加加速度作用下,悬臂梁受到弯矩作用而发生弯曲。由于悬臂梁根部受应力作用,在根部制作的四个nc-Si:H TFTs沟道等效电阻的阻值将发生变化,沿<011>晶向制作的两个nc-Si:H TFTs沟道电阻的相对变化量是正值,而沿<011>晶向制作的两个nc-Si:H TFTs沟道电阻的相对变化量是负值,使得惠斯通电桥两臂不平衡,产生输出电压,从而将非电量信号加速度转换为电信号输出。针对基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器工作过程中悬臂梁根部nc-Si TFTs所受应力作用,根据压阻理论从外加压力P=0和P≠0两方面对I-V特性进行详述。2.基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器仿真研究、芯片设计、制作和封装为了研究nc-Si:H TFTs的特性并实现高性能基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器设计制作,通过仿真软件SILVACO和ANSYS分别对nc-Si:H TFT和加速度传感器进行仿真研究。当nc-Si:H TFT的沟道长度缩小到10μm,采用ATLAS建立二维仿真模型,根据热载流子能量平衡输运原理,在VGS=3V、6V和9V条件下,nc-Si:Htft仿真模型的ids-vds特性出现负阻现象。通过栅氧化层与纳米硅薄膜界面处的载流子复合率、平行于沟道表面方向的横向电场强度和沿纳米硅薄膜与栅氧化层界面处的纵向电场强度分布分析在夹断区内热载流子输运对负阻特性的影响。利用有限元仿真工具ansys,建立加速度传感器有限元模型,该芯片尺寸为10mm×10mm×500μm(厚),悬臂梁的尺寸为6000μm(长)×1500μm(宽)×62μm(厚)。对加速度传感器静态分析表明在距离悬臂梁根部150μm处δxx和δyy达到最大值,选择压阻效应最大区域,确定由4个nc-si:htfts构成的惠斯通电桥结构的最佳位置,优化基于nc-si:htfts的加速度传感器芯片设计,以求加速度传感器性能的最佳条件。在静态分析的基础上,对有限元仿真模型进行模态分析以及谐响应特性分析,从而实现高灵敏度加速度传感器的制作。在仿真研究的基础上,详细论述基于nc-si:htfts的加速度传感器设计、制作工艺和芯片封装。在n型<100>晶向高阻(ρ>100Ω·cm)单晶硅衬底上,采用cmos工艺在悬臂梁根部制作四个长宽比l/w=80μm/40μm的nc-si:htfts,构成惠斯通电桥结构,其中两个nc-si:htfts沿<011>晶向制作,而另外两个nc-si:htfts沿<011>晶向制作。采用icp刻蚀的方法制作长和宽分别为6000μm和1500μm的悬臂梁,并形成位于悬臂梁自由端的质量块,从而实现基于nc-si:htfts的加速度传感器制作,芯片面积为10mm×10mm。3.加速度传感器输出信号的存储电路为实现基于nc-si:htfts的加速度传感器输出信号的数字化存储,本课题进一步探讨加速度传感器模数转换及存储问题。设计并制作了基于双稳态电阻开关ito/pvk/al的1t-1r一位存储单元电路,提出传感器数字化存储的新技术方案。在加速度传感器模数转换的基础上,采用非共轭聚合物材料聚乙烯咔唑(poly(n-vinylcarbazole),pvk)纳米膜作为存储层,研究双稳态电阻开关ito/pvk/al以及n-mosfet与双稳态电阻开关ito/pvk/al组成的1t-1r一位存储单元电路特性。采用存储材料pvk所制作的ito/pvk/al表现出非挥发双稳态电阻开关特性,开启电压为-1v,on/off电流开关比接近104。在常温下,由该有机电阻开关与n-mosfet组成的一位存储单元电路在104s的编程时间里,具有较高的稳定性,提出基于有机存储材料实现加速度传感器输出数据数字化存储的可行性方案,为实现压阻式加速度传感器输出从模拟信号到数字信号的数据存储奠定基础。4.基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器特性研究采用XRD、拉曼光谱、AFM和SEM对LPCVD法制备的纳米硅薄膜进行表征。并对采用该方法制备的L/W=80μm/40μm、L/W=160μm/40μm和L/W=240μm/40μm的nc-Si:H TFT s进行IDS-VDS特性测试。在基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器频率特性测试中,对于纳米硅薄膜厚度达到90nm的加速度传感器,悬臂梁厚度由62μm增加到160μm导致加速度传感器共振频率由458.72Hz增加到1054.06Hz;对于悬臂梁厚度为160μm的基于nc-Si:H TFTs的加速度传感器,随着质量块质量的增加,共振频率由1054.06Hz减小到458.71Hz,但输入与输出信号之间产生1.08ms的延迟;加速度传感器的共振频率与所受外部振动信号的频率有关,而与输入振动波形无关。对已经测试频率特性的悬臂梁厚度为160μm且质量块质量增加的加速度传感器进行灵敏度测试,传感器输出信号经仪表放大器放大,灵敏度为0.198V/g/5V。