基于MESFET的GaAs基微加速度计的设计与性能测试

　　近几年来,微加速度计的开发与发展已引起研究人员的特别关注,但其发展的目标在于微型化、自动化、智能化、集成化,探索基于新效应、新机理的高敏感结构,以满足应力作用下纳米级形变的检测.微加速计不但可以直接检测载体的加速度,并且可以通过对加速度积分,计算出载体位移和速度[1-2].微加速度计与普通的加速度计相比较,不但体积小、质量轻、功耗低、可靠性好、易于集成,而且便于大批量、规模化生产[3-4].因此,广泛地运用于汽车工业、武器系统、航空航天、工业自动化等领域[5-6].微加速度计的加工主要是基于表面微加工工艺和MEMS体加工工艺相结合的方法,传统的较为成熟的微加速度计主要有压阻式、电容式、压电式、隧穿式等等[7-8].每一种微机械结构在具有各自优势的同时,也存在弊端.压阻式微加速度计比较成熟,但由于压敏电阻的温漂效应较大,在某些程度上限制了灵敏度的提高,难以满足微小变化的测试需求;电容式微加速度计由于微纳尺度的限制,也难以提高灵敏度.而Ⅲ-Ⅴ族化合物在材料和结构上均具有一定的优势,比如直接带隙材料、高电子迁移率,耐高温、抗辐射等,因此广泛应用于高频、高速微结构中[9].以GaAs为基础材料的金属-半导体场效应晶体管(MESFET)的输出特性呈e指数形式,外界的微小变化则引起输出大幅度变化,而且栅压对其温度效应具有一定的调制作用,通过选择适当的栅压,微加速度计可以不受外部环境的影响,因此,利用它作为微加速度计结构的敏感单元,在获得更高灵敏度的同时,可以有效解决温度的漂移问题,把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平.

　　本文主要报道了一种以MESFET作为敏感单元的微压力传感器.利用ANSYS分析软件优化设计微加速度计结构,并进行加工,并通过动态测试研究了微加速度计的灵敏度和线性度,其结果表明,该微加速计具有较高的灵敏度和线性度.

　　1　MESFET的结构设计

　　MESFET作为微加速度计的敏感单元,通过电学信号的变化实现对外参数的标定,因此其结构好坏直接影响微加速度计的性能.利用分子束外延技术,在半绝缘GaAs衬底上生长一层缓冲层,其掺杂浓度小于5e13 cm-3,厚度大约为1μm.缓冲层不仅可以减小衬底表面所带来的各种生长缺陷,而且还可以减小衬底中杂质对沟道的影响.之后,在缓冲层上生长一层n型掺杂的沟道层,通过淀积、溅射Ti-Pt-Au金属形成肖特基势垒,引出栅电极.最后一层是高掺杂的帽层,通过量子隧穿机理,形成源漏欧姆接触,欧姆接触一般是Au-Ge-Ni系统[9-10],引出源极、漏极两电极.其具体的材料层结构及参数如表1所示.所设计的敏感单元MESFET的栅长为1.5μm,栅宽为100μm.