基于MEMS工藝技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

郭源生，劉忠立

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,山東濟(jì)南250061；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體所，北京100083)

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)層的核心技術(shù)與產(chǎn)品，是傳感器技術(shù)應(yīng)用的拓展。在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，許多特殊場合，會因結(jié)構(gòu)、電路、安保、線纜過長、中斷、噪聲等因素制約無法測量。如海洋、礦井、邊防、軍事等領(lǐng)域，被測量物處于運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))之中，易燃、易爆特殊氣體、輕油和有機(jī)化學(xué)成分處于安全特殊要求，還有電源不能直接涉足物體或區(qū)域等。因此，必須采用無線網(wǎng)，甚至無線傳感器集群構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)測量與控制。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與推廣，在環(huán)境監(jiān)測、高效農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制、醫(yī)療護(hù)理、物流管理、軍事領(lǐng)域均有較大的應(yīng)用潛力。

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器要求在微小體積內(nèi)集成信息采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信、網(wǎng)絡(luò)化等功能，同時(shí)要求能夠適應(yīng)惡劣復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)控和能耗節(jié)約的電源休眠管理，對于系統(tǒng)的功耗和使用壽命等技術(shù)指標(biāo)有嚴(yán)格的要求。因而，能夠適合無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)，而且具有低成本、低功耗的各種敏感芯片或元件的開發(fā)就顯得尤為重要。

壓阻效應(yīng)在硅半導(dǎo)體材料的變形中是能被觀測到的。通過運(yùn)用硅平面工藝技術(shù)和MEMS微機(jī)械加工工藝技術(shù)將電阻制作到硅片上，形成一個(gè)具有壓阻效應(yīng)的彈性敏感元件，其彈性形變很小，而剛性特征明顯，加上半導(dǎo)體材料和特殊的工藝，使產(chǎn)品可在較寬的溫度范圍內(nèi)達(dá)到很高的靈敏度和穩(wěn)定性，產(chǎn)品一致性亦很好，各項(xiàng)指標(biāo)符合無線網(wǎng)絡(luò)化特征要求。

本文基于國家創(chuàng)新基金項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容，結(jié)合國際IEEE標(biāo)準(zhǔn)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求，運(yùn)用MEMS微機(jī)械加工工藝技術(shù)和8英寸單晶硅片，經(jīng)過制作工藝的反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)出無線網(wǎng)絡(luò)壓力傳感器IC芯片，即通過微機(jī)械加工工藝制作出成本低、量程齊全、應(yīng)用范圍寬泛、各參數(shù)性能與國外同類產(chǎn)品競爭的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器IC芯片。

敏感元件的設(shè)計(jì)

敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

敏感元件芯片設(shè)計(jì)采用了單島膜結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的單島膜結(jié)構(gòu)(又稱為E型硅杯結(jié)構(gòu))相當(dāng)于一個(gè)周邊固支的平膜片結(jié)構(gòu)(俗稱C型結(jié)構(gòu)，圖1所示)的膜片中心有一個(gè)厚硬心島。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，芯片的抗過載和抗振動(dòng)能力增強(qiáng)，同時(shí)也能擴(kuò)大并提高量程品種及延長使用壽命，E型硅杯原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上兼顧了傳感器指標(biāo)參數(shù)的通用性，便于芯片應(yīng)用拓展到其他領(lǐng)域；避免造成其參數(shù)的非專業(yè)性配套，其溫度系數(shù)偏高、過載能力低、靈敏度參數(shù)分散等問題；芯片的襯底濃度遠(yuǎn)大于103，使電橋電阻值高，降低功耗，延長供電電池使用壽命。

經(jīng)計(jì)算，E型杯版圖設(shè)計(jì)最小結(jié)構(gòu)尺寸為1.2 mm×1.2 mm，大膜半徑R為0.8 mm，中心島半徑r0為0.4 mm，電阻條寬度為4 μm，長度為80 μm，設(shè)計(jì)20個(gè)方電阻，電阻形狀為單條形，為減小端頭影響及誤差，電阻用淡硼摻雜形成、方電阻250 Ω，端頭用濃硼短路、方電阻為10 Ω，實(shí)用光刻版還應(yīng)考慮到組橋時(shí)濃硼引出附加電阻的對準(zhǔn)性對平衡值的影響等版圖設(shè)計(jì)技巧[1]。

結(jié)構(gòu)分析數(shù)學(xué)模型

半徑為R的同平膜片的中心最大撓度為:

而中心島半徑r0與全膜半徑R的比值為C的單島膜中心最大撓度為:

當(dāng)C值為0.5時(shí)(常用設(shè)計(jì))，單島膜結(jié)構(gòu)中心最大位移僅為平膜的四分之一。

當(dāng)E型膜片的大膜內(nèi)切半徑為R，硬心島外切半徑為r0時(shí)，其薄膜上表面的徑向和切向應(yīng)力為:

在r=r0處和r=R處，σr和σt取得最大值，其值大小相等，符號相反，即:

σt=σr=±3PR2/4h2(1-C2)，是平膜邊緣應(yīng)力的1-C2倍。

從式中看出，應(yīng)力σr和σt均近似對稱，當(dāng)C=0.5時(shí)，這種對稱性更好，σr的對稱點(diǎn)，即σr=0點(diǎn)在r≈0.76R處，但σt=0的點(diǎn)卻在r≈0.85R處，因此采用這種方案時(shí)電阻徑向分布尺寸不宜超過1/10R。

壓力腔體設(shè)計(jì)

壓力腔制作工藝的設(shè)計(jì)是芯片形成和工藝控制的關(guān)鍵所在，腔底的彈性膜設(shè)計(jì)成方形可以通過腐蝕方法制備形成。腐蝕方法可分為各向同性和各向異性腐蝕。腐蝕方法生產(chǎn)率高、工藝不復(fù)雜，但硅片需用耐腐蝕液的掩膜保護(hù)。腐蝕過程在氧化、擴(kuò)散等工藝之后，蒸鋁和劃開芯片之前進(jìn)行。這樣既防止圓片中存在很薄的膜區(qū)而在高溫加熱時(shí)變形，又避免腐蝕時(shí)鋁線被浸蝕[2]。

設(shè)計(jì)理論模型

根據(jù)力學(xué)設(shè)計(jì)的彈性膜厚度為δ(一般為外延層的厚度)，方膜的寬度為b，硅片的厚度為s,則壓力腔的深度χ=s-δ。于是

θ角為(111)面與表面(100)面之間夾角。晶面間夾角可由下式計(jì)算出來:

(111)與(100)面間的夾角θ為:

掩膜窗口寬度w=B-2R(111)t/sinθ。

假如不是采用自停止腐蝕工藝，硅杯底面(100)與側(cè)壁(111)同時(shí)被腐蝕，則t=x/R(100)，代入B=W+2R(100)t/sinθ中得到:

對(100)晶片，若取R(111)/R(100)=0.01(取決腐蝕液成分和溫度)，θ=54.736，則:

假若忽略(111)面的側(cè)向腐蝕，則:上面兩式可以用來計(jì)算掩膜的窗口寬度。

設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)的膜寬為3.6 mm。(100)硅片厚度為400 μm，膜厚為30 μm，腔深為370 μm。利用式:

計(jì)算得到的掩膜窗口寬度為:

算得的結(jié)果w=3.6+0.370×1.414=4.12(mm)，兩者僅相差10 μm，誤差僅約0.2%。

芯片結(jié)構(gòu)與功能

由于硅材料的特殊性，可保證傳感器橋路輸出是高線性度，而且輸出信號與激勵(lì)電壓成正比。標(biāo)準(zhǔn)輸出信號隨壓力范圍的不同被測試標(biāo)定為2.0/3.0/3.3 mV/V，較為適宜。

芯片結(jié)構(gòu)

在8英寸硅片制作中，一個(gè)硅片上有7 000多個(gè)敏感單元，芯片上的力敏薄膜結(jié)構(gòu)為一個(gè)固邊固支的方形平膜片，敏感膜尺寸為620 μm×620 μm，厚約40 μm。敏感單元是由下層硅片的各向異性腐蝕及硅-硅真空鍵合形成，即上硅片的減薄形成敏感薄膜和絕對壓力真空參考腔，上下兩硅片通過硅-硅鍵合工藝封接而形成。尺寸不大于1.2 mm×1.2 mm大小，體積小，使用方便靈活。具有700 kPa的絕壓量程和16倍的過載能力。成品率高，可實(shí)現(xiàn)低成本控制。圖3為一個(gè)敏感元件單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

性能、參數(shù)指標(biāo)

敏感元件芯片單元工作溫度范圍為-40～+125℃，供電電壓為2.1～3.5 V，在3.0 V電壓供電下功率消耗為120 mW。其他主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 芯片主要參數(shù)指標(biāo)

溫度飄移曲線圖表

圖4為環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，滿量程加載時(shí)，在不同溫度情況下電壓輸出誤差值。

工藝技術(shù)特征

產(chǎn)品設(shè)計(jì)兼顧了傳感器參數(shù)指標(biāo)的通用性，避免溫度系數(shù)偏高、過載能力低、靈敏度參數(shù)分散等問題；芯片的襯底濃度遠(yuǎn)大于103，使電橋電阻值高，功耗低，供電電池使用壽命長，即產(chǎn)品使用壽命長。

工藝特征

基于MEMS硅微機(jī)械加工工藝技術(shù)，敏感元件薄膜為一個(gè)固邊固支的方形平膜片結(jié)構(gòu)，由各向異性腐蝕及硅-硅真空鍵合形成。主要解決的工藝技術(shù)難題為:

(1)高質(zhì)量的硅-硅真空鍵合工藝；

(2)均勻和高合格率的減薄工藝；

(3)精準(zhǔn)、均勻摻雜和一致性及細(xì)長電阻條一致性控制，以確保芯片溫度漂移；

(4)內(nèi)應(yīng)力匹配消除技術(shù)解決時(shí)間漂移；

(5)相應(yīng)的抗電磁干擾設(shè)計(jì)；

(6)封裝設(shè)計(jì)與工藝中的抗高振動(dòng)及離心加速度措施。

結(jié)構(gòu)特征

芯片尺寸直接影響工作溫度、過載能力和穩(wěn)定性指標(biāo)。同時(shí)還增加了8英寸大片生產(chǎn)的減薄、真空鍵合、各向異性腐蝕工藝的難度，從而影響成品率。

綜合特征

主要特征為精度高、功耗低、輸出靈敏度高，更便于與系統(tǒng)參數(shù)對接。

(1)外型結(jié)構(gòu)尺寸小、易封裝；

(2)零位和滿度信號補(bǔ)償修定，芯片一致性好、可換性強(qiáng)；

(3)抗沖擊和振動(dòng)，卓越的抗過載能力；

(4)高精度、高穩(wěn)定性、耐高溫；

(5)價(jià)格低廉、競爭力強(qiáng)。

關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)與要點(diǎn)

工藝版圖設(shè)計(jì)

采用相同的工藝版圖，通過MEMS工藝控制單島膜結(jié)構(gòu)和E型硅杯厚度尺寸，就可區(qū)分不同量程，實(shí)現(xiàn)芯片量程拓展。島芯作為過載保護(hù)，可承受16倍的抗過載能力。圖5表示單個(gè)敏感元件電阻排列工藝設(shè)計(jì)版圖；圖6表示運(yùn)用MEMS工藝制作出大片整片芯片背面杯型結(jié)構(gòu)排列圖；圖7表示出E型杯結(jié)構(gòu)工藝版圖制作的傳感器芯片實(shí)物。

主要解決的工藝技術(shù)問題

兩種結(jié)構(gòu)在制作工藝上是完全一致的，同時(shí)需要解決的工藝技術(shù)問題[3]:

(1)硅-硅真空鍵合工藝品質(zhì)；

(2)均勻和高合格率的減薄工藝；

(3)摻雜的均勻一致性和電阻條精確控制；

(4)8英寸大片內(nèi)應(yīng)力匹配與消除；

(5)抗電磁干擾方法與控制設(shè)計(jì)；

(6)封裝工藝中抗高振動(dòng)和離心加速度措施。

功能拓展與延伸設(shè)計(jì)

功能與應(yīng)用

設(shè)計(jì)中的壓力敏感芯片完全滿足無線網(wǎng)絡(luò)對敏感元件的參數(shù)指標(biāo)要求，能夠與一體封裝的專用集成電路置于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測與無線傳輸，并可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能。如只有在需要時(shí)才喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，測量完畢即轉(zhuǎn)入掉電休眠態(tài)的低功耗工作模式，可附加看門狗間隔定時(shí)器，用于電源管理，從停機(jī)狀態(tài)恢復(fù)系統(tǒng)應(yīng)用程序的運(yùn)行[4]。

結(jié)合不同領(lǐng)域的不同需求，兼顧傳感器后封裝生產(chǎn)工藝設(shè)備的通用性，在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮到滿足不同產(chǎn)品的對芯片的結(jié)構(gòu)、參數(shù)要求，按照芯片尺寸與工藝版圖的最低要求和分類原則[5]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為三種芯片類型，大大減少了芯片品種，擴(kuò)大了芯片的應(yīng)用領(lǐng)域。圖8示出采用不同種類的傳感器芯片封作的傳感器實(shí)物。

運(yùn)用MEMS工藝技術(shù)生產(chǎn)半導(dǎo)體壓力傳感器，具有體積微小、重量輕、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品附加值[1]。同時(shí)，以其抗過載能力強(qiáng)、功耗低、便于集成化設(shè)計(jì)和增加功能等特征，比如在同一個(gè)芯片上設(shè)計(jì)增加熱敏元件，即可實(shí)現(xiàn)溫度系數(shù)補(bǔ)償，也可實(shí)現(xiàn)溫度測量功能，構(gòu)成一個(gè)復(fù)合功能傳感器，還可復(fù)合相關(guān)集成芯片組成智能化的傳感器，可構(gòu)成功能強(qiáng)大的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。再通過附加軟件設(shè)置可對器件進(jìn)行性能和功能測試，便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)。這將對于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)發(fā)展與建設(shè)產(chǎn)生積極的影響；也有利于進(jìn)一步在工業(yè)自動(dòng)化和大型工程建設(shè)等力敏類傳感器推廣應(yīng)用，大大拓寬了產(chǎn)品應(yīng)用范圍，提高芯片推廣價(jià)值和產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

MEMS技術(shù)在傳感器產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中的運(yùn)用僅僅是開始，許多生產(chǎn)工藝存在著一定的難度，8英寸大片的各項(xiàng)工藝存在的諸多問題有待于進(jìn)一步研究與開發(fā)。

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[2]徐惠宇，朱荻.國外高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展[J].傳感器技術(shù)，2004，23(12):4-6.

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