梁-膜結(jié)構(gòu)微壓傳感器研制

楊 梅 ,于 煒 ,張 瑩 ,史 煜

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心四川綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

目前,大量生產(chǎn)的硅壓阻式壓力傳感器,主要用于10kPa～60MPa壓力范圍的測(cè)量。在這樣的壓力作用下,采用傳統(tǒng)平膜片的傳感器輸出和精度一般為20～70mv/V和0.1%～0.5%,為了實(shí)現(xiàn)更低壓力的測(cè)量,則必須采用特殊的膜片結(jié)構(gòu)。平膜結(jié)構(gòu)雖然可以通過(guò)減小膜片厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)很高的靈敏度,但同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的非線性。這種非線性是由于壓力在膜片上產(chǎn)生的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的非線性造成的。對(duì)于低壓的測(cè)量,雖然帶有中間剛性硬芯的E型膜片結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較好的線性,但是這種膜片也具有一些缺點(diǎn),例如,尺寸一般較大,制作工藝復(fù)雜,對(duì)振動(dòng)敏感等。1991年Reimann提出了一種基于平面應(yīng)力集中原理制作的新型硅壓力傳感器。筆者介紹的這種雙面腐蝕形成的梁-膜結(jié)構(gòu)的微壓傳感器的設(shè)計(jì)就是采用這種應(yīng)力集中原理,芯片結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析及初步測(cè)試結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)的微壓傳感器具有較高的靈敏度和較低的非線性,成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小壓力的測(cè)量。

1 梁-膜結(jié)構(gòu)壓力傳感器應(yīng)變膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 梁-膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

梁-膜結(jié)構(gòu)膜片的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是由4個(gè)彈性梁和一個(gè)剛性中心膜構(gòu)成,在這一結(jié)構(gòu)膜片上,電阻按照利用橫向和縱向壓阻效應(yīng)的原則分布在4個(gè)活動(dòng)梁上。利用有限元軟件ANSYS仿真計(jì)算對(duì)這一結(jié)構(gòu)的尺寸、梁、膜的厚度等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的最優(yōu)化分析并與均勻平膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,表明梁-膜結(jié)構(gòu)靈敏度高,在膜片很薄時(shí)能有效地解決平膜片線性差的缺點(diǎn),具有很好的線性度,是制作微壓傳感器的最佳結(jié)構(gòu)。

從梁-膜結(jié)構(gòu)膜片的應(yīng)力分布圖上可以看到,當(dāng)膜片受壓時(shí),4根梁上同時(shí)產(chǎn)生了大小相等,方向相同的集中應(yīng)力,應(yīng)力曲線平直無(wú)突變,在梁的根部應(yīng)力最大,由邊緣至中心呈遞減的梯度分布。因此,應(yīng)變電阻要盡量布置在梁的根部,排列盡量集中,以避免應(yīng)力梯度引起的非線性。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)于帶有4個(gè)矩形梁和一個(gè)剛性中心膜片的膜片結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可以看到,其應(yīng)力最大區(qū)域在4個(gè)矩形梁的根部位置。這種膜片上的應(yīng)力分布很復(fù)雜,難于進(jìn)行計(jì)算,可以計(jì)算正方形均勻平膜片的應(yīng)力分布,對(duì)其靈敏度進(jìn)行理論推算。

一個(gè)邊長(zhǎng)為 2a的正方膜,晶面(100),晶向(110)。坐標(biāo)取在膜中心,當(dāng)兩邊平行于坐標(biāo)軸時(shí),其縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力之差的最大值即(σ1-σt)的最大值在正方形邊的中點(diǎn)處,當(dāng)4個(gè)橋臂電阻分布如圖2所示時(shí)

圖2 梁-膜結(jié)構(gòu)硅膜片(平面圖)Fig.2 Silicon diagram of the beam-film structure(plan view)

對(duì)于采用恒壓源供電的全橋電路,電橋輸出Us,Uo為電源電壓

利用(1)、(2)、(3)式得

π44=100×10-12cm2/達(dá)因 v=0.3

設(shè)壓力 P=100Pa,Uo=6V,2a=6000μ m,h=15μ m

則輸出電壓為Us=13.43mv

根據(jù)有限元分析,梁式結(jié)構(gòu)的靈敏度應(yīng)為均勻平膜片結(jié)構(gòu)的1.5倍左右,那么,梁式結(jié)構(gòu)輸出大約為

由于理論計(jì)算對(duì)某些邊界條件的簡(jiǎn)化,一般來(lái)說(shuō),預(yù)期實(shí)驗(yàn)測(cè)定值要比理論值大約低30%,那么預(yù)期實(shí)驗(yàn)值應(yīng)為14mV左右。

由此可以確定,采用這種梁式結(jié)構(gòu)可以獲得更集中的應(yīng)力,更高的傳感器靈敏度和更好的線性,能用于制作100Pa這樣的微壓傳感器。

2 制作工藝

2.1 工藝參數(shù)

材料：N型(100)無(wú)位錯(cuò)單晶,電阻率 p=8～10Ω.cm,襯底濃度 Nb≈6×1014/cm3,硅片厚度300μ m,雙面拋光 。

工藝參數(shù)：淡硼應(yīng)變電阻擴(kuò)散表面濃度Ns=3×1018/cm3,結(jié)深 xj=3μ m,方塊電阻為 100Ω/□。濃硼引線電阻擴(kuò)散表面濃度Ns=2×1020/cm3,結(jié)深xj=3μ m,方塊電阻為9Ω/ □。

2.2 制作工藝流程

硅片雙面拋光→高溫氧化→正面光刻→擴(kuò)散電阻→一次刻孔→低溫氧化→二次刻孔→淀積氮化硅→背面光刻→背面腐蝕→真空鍍鋁→反刻鋁→正面等離子刻蝕→芯片分離→鏡檢篩選→壓焊金絲→芯片老化→初測(cè)、篩選→封裝→老化→補(bǔ)償→標(biāo)定。

2.3 膜片成形關(guān)鍵技術(shù)

(1)梁-膜結(jié)構(gòu)的正面需成形硬芯、梁,由于正面形成的槽的深度只有5μ m,因此采用了等離子刻蝕工藝。

(2)梁-膜結(jié)構(gòu)的背面需腐蝕形成一個(gè)深度達(dá)285μ m的腔體,利用單晶硅各向異性的特點(diǎn),采用各向異性腐蝕工藝。采用綜合性能指標(biāo)較好的乙二胺、鄰苯二酚、水組成的三元腐蝕液,稱為EPW,在密閉冷卻回流裝置中,加熱到95℃±1℃緩慢攪拌下對(duì)硅片進(jìn)行腐蝕,制成均勻的硅膜片。

(3)梁-膜結(jié)構(gòu)硅膜片正反面均需用光刻工藝刻蝕出所需的形狀,要求正反面位置要精確對(duì)準(zhǔn),因此雙面光刻工藝是制作梁-膜結(jié)構(gòu)硅膜片的一項(xiàng)十分重要的工藝。

(4)梁-膜結(jié)構(gòu)的正、反面結(jié)構(gòu)的形成不能同時(shí)進(jìn)行,必須在一面進(jìn)行刻蝕時(shí),對(duì)另一面進(jìn)行保護(hù)。正面采用低溫淀積氮化硅工藝在膜片表面淀積一層氮化硅膜進(jìn)行保護(hù),同時(shí)可以起到對(duì)膜片表面鈍化的作用。反面保護(hù)采用二氧化硅層。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 壓力傳感器測(cè)試結(jié)果

我們對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 傳感器樣件標(biāo)定結(jié)果Table 1 Performance for this transducer

3.2 梁-膜結(jié)構(gòu)壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

外形尺寸：直徑20mm,長(zhǎng)60mm(帶管嘴);測(cè)量范圍：0～100Pa;滿量程輸出 ：12mV ～18mV;線性誤差：＜0.5%F.S;重復(fù)型誤差：＜0.6%F.S;總精度：1%F.S;零點(diǎn)漂移：＜0.2%F.S/h;零點(diǎn)溫度漂移：＜0.5%F.S/℃。

3.3 試驗(yàn)應(yīng)用

低速風(fēng)洞模型氣動(dòng)力試驗(yàn),必須作洞壁干擾修正,一直采用英國(guó)德魯克公司的100Pa壓力傳感器進(jìn)行洞壁測(cè)壓。該傳感器的技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范圍：0～100Pa;滿量程輸出：10.395 V;線性誤差：0.035%F.S;遲滯誤差 ：0.312%F.S;重復(fù)型誤差 ：0.521%F.S;總精度：0.687%F.S。我們研制的傳感器的技術(shù)指標(biāo)接近該指標(biāo),風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明,在低速風(fēng)洞洞壁測(cè)壓試驗(yàn)中,研制的100Pa梁-膜結(jié)構(gòu)微壓傳感器完全可以替代國(guó)外傳感器。

3.4 結(jié) 論

通過(guò)小批量的生產(chǎn)實(shí)踐證明,設(shè)計(jì)是成功的,應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝是可行的。100Pa壓力時(shí),滿量程輸出14 mv左右,線性精度小于0.5%F.S,重復(fù)性誤差小于0.6%F.S,總精度1%F.S,技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)外傳感器水平,已多次用于風(fēng)洞試驗(yàn),目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)如此小量程的壓阻式壓力傳感器。

4 結(jié)束語(yǔ)

在用于100Pa這樣的微壓測(cè)量時(shí),基于“平面”應(yīng)力集中原理制作的這種梁-膜結(jié)構(gòu)的傳感器具有靈敏度高和線性誤差小的特點(diǎn),與一般的結(jié)構(gòu)相比,這種膜片在受到微壓時(shí)即產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,使傳感器在測(cè)量微壓時(shí)有較高的靈敏度,其特別的結(jié)構(gòu)能解決一般結(jié)構(gòu)膜片在很薄時(shí)由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力產(chǎn)生的嚴(yán)重的非線性。同時(shí),在制作應(yīng)變電阻時(shí),采用了先進(jìn)的淡硼電阻,濃硼引線的擴(kuò)散方式,既提高了傳感器的靈敏度,又改善了傳感器的溫度性能和穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)實(shí)踐表明,有限元方法是用于壓阻式壓力傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種有效的工具,同時(shí),選擇合理的結(jié)構(gòu),采用先進(jìn)的工藝,才能制作出高水平的傳感器。

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