高靈敏壓力傳感器過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

揣榮巖，孫 瑞，劉曉為，王 健

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)MEMS中心，哈爾濱150001)

采用MEMS技術(shù)的小量程、高靈敏壓力傳感器通常有平膜、島膜、梁膜等結(jié)構(gòu)［1-2］，在設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)時(shí)，一般采用凸臺(tái)等方法實(shí)現(xiàn)，形成方法有背部刻蝕技術(shù)、硅直接鍵合(SDB)技術(shù)、玻璃刻蝕技術(shù)等［3-4］。然而這些結(jié)構(gòu)的腔體尺寸較大，進(jìn)一步提高靈敏度受到限制，而且降低了硅片利用率，增加了制造工藝的復(fù)雜度，提高了生產(chǎn)成本［5］。目前小量程、高靈敏壓力傳感器的研究熱點(diǎn)集中在犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器，這主要是因?yàn)闋奚鼘咏Y(jié)構(gòu)壓力傳感器彈性膜片很薄，厚度可做到2 μm，甚至更薄。在這樣薄的結(jié)構(gòu)上，如果(采用擴(kuò)散硅或多晶硅薄膜作為犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的應(yīng)變電阻，其厚度相對(duì)較大，對(duì)彈性膜片應(yīng)力分布影響很大，不利于犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的性能優(yōu)化，因此采用多晶硅納米薄膜制作應(yīng)變電阻更能發(fā)揮犧牲層技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

通常壓力傳感器的應(yīng)變電阻是在單晶硅片上擴(kuò)散或注入雜質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)［6］，為了改善溫度特性，后來(lái)也采用了多晶硅薄膜［7］，但普通多晶硅薄膜的應(yīng)變因子較小，不利于提高靈敏度。最新研究結(jié)果表明［8］，多晶硅納米薄膜具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，重?fù)诫s條件下其應(yīng)變因子仍可達(dá)到34，具有負(fù)應(yīng)變因子溫度系數(shù)，數(shù)值小于1×10-3/℃，電阻溫度系數(shù)可小于2×10-4/℃。因此，在犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器上，采用多晶硅納米薄膜作應(yīng)變電阻，可以提高靈敏度，擴(kuò)大工作溫度范圍，降低溫度漂移［9］。然而，犧牲層結(jié)構(gòu)非常薄，如何提高傳感器的過(guò)載能力顯得尤為重要。對(duì)此，本文在保證傳感器滿量程范圍內(nèi)線性響應(yīng)的前提下，調(diào)整犧牲層厚度，通過(guò)彈性膜片與襯底的適當(dāng)接觸來(lái)有效提高傳感器的過(guò)載能力。

1 犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器

犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器是指彈性膜片利用犧牲層技術(shù)制作而成的壓力傳感器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中 AB(A′B′)為膜片寬度 a，AA′(BB′)為膜片長(zhǎng)度b，H1為膜片厚度，H2為犧牲層厚度。

圖1 犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器

在表面微加工中，由淀積到襯底和犧牲層上的薄膜作為結(jié)構(gòu)層，對(duì)微小結(jié)構(gòu)的尺寸更易控制，器件的尺寸得以減小。然而，這些結(jié)構(gòu)層的機(jī)械性能高度依賴于淀積和隨后的加工過(guò)程，相對(duì)低的淀積速率雖然限制了所制作器件的厚度［10］，但是由于結(jié)構(gòu)層厚度低，所以能制作出量程更小、靈敏度更高的壓力傳感器。

本文以量程0.1 MPa的犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器為例，設(shè)計(jì)出電壓源E=5 V時(shí)，滿量程輸出為60 mV的壓力芯片。為了滿足靈敏度的設(shè)計(jì)要求，改變彈性膜片的寬度、長(zhǎng)度、厚度和犧牲層厚度對(duì)應(yīng)力分布進(jìn)行模擬仿真(模擬仿真時(shí)多晶硅楊氏模量EX=1.7×1011N/m2，泊松比PRXY=0.24，多晶硅納米薄膜應(yīng)變因子G=30)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后［11］，得到滿足設(shè)計(jì)要求的彈性膜片尺寸:長(zhǎng)度 a=300 μm、寬度 b=150 μm、膜片厚度 H1=3 μm、犧牲層厚度 H2=3.5 μm。

針對(duì)所設(shè)計(jì)的壓力傳感器芯片，進(jìn)行了投片實(shí)驗(yàn)，其主要工藝步驟如下:①在硅襯底上，采用PECVD方法淀積一層二氧化硅作為犧牲層;②采用PECVD方法淀積一層二氧化硅，經(jīng)過(guò)光刻形成腐蝕通道;③在犧牲層上采用LPCVD方法淀積一層多晶硅作為結(jié)構(gòu)層，經(jīng)過(guò)光刻形成腐蝕孔;④用氫氟酸溶液釋放犧牲層，再采用LPCVD方法淀積一層多晶硅，從而使腔體密封;⑤熱氧化一層二氧化硅作為絕緣層，在其上采用LPCVD方法淀積多晶硅納米薄膜作為電阻層;⑥采用PECVD方法淀積一層二氧化硅作為鈍化層，并利用離子注入方法對(duì)電阻層進(jìn)行局部摻雜，形成應(yīng)變電阻;⑦利用光刻技術(shù)對(duì)鈍化層進(jìn)行光刻，從而形成引線孔。最后，蒸鋁形成金屬布線。

試制的芯片實(shí)拍照片如圖2所示。

圖2 壓力芯片照片

采用氣體加壓的方式對(duì)芯片樣品進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試溫度條件為室溫，激勵(lì)源為1 mA恒流源，其輸出特性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓力芯片輸出特性測(cè)試結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，隨著壓力載荷的增加，輸出電壓并未隨之線性增加，其增加的程度逐漸減小，而且滿量程輸出未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)分析，出現(xiàn)圖3所示的現(xiàn)象應(yīng)該是由于芯片的密封腔體有泄漏引起的。雖然有泄漏，但芯片仍然表現(xiàn)出了壓力敏感特性，而且利用多晶硅納米膜研制的硅杯結(jié)構(gòu)壓力傳感器能夠滿足設(shè)計(jì)要求［9］。因此，改善工藝解決泄漏問(wèn)題后，犧牲層結(jié)構(gòu)多晶硅納米膜壓力傳感器的性能應(yīng)該能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 犧牲層厚度對(duì)過(guò)載能力的影響

對(duì)于上述0.1 MPa傳感器，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度4.5×108N/m2時(shí)，膜片底部與襯底不發(fā)生接觸，過(guò)載能力不高。如果減小犧牲層厚度使膜片斷裂前與襯底接觸便可提高過(guò)載能力，犧牲層厚度越小過(guò)載能力越強(qiáng)，但不可避免會(huì)引入非線性形變，因此本文將利用靜態(tài)線性分析與非線性接觸分析相結(jié)合的方法，對(duì)犧牲層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高壓力傳感器的過(guò)載能力。

2.1 過(guò)載能力及極限過(guò)載能力

對(duì)于采用濕法腐蝕的擴(kuò)散硅壓力傳感器，其壓力敏感結(jié)構(gòu)上的二氧化硅和氮化硅等絕緣或保護(hù)層厚度比彈性膜厚度小很多，一般在結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)力分布分析中可以忽略它們的影響［12-13］。但是，本文的犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的多晶硅彈性膜片厚度為3 μm、二氧化硅絕緣層厚度為 0.5 μm，二氧化硅層厚度相對(duì)于多晶硅而言不可以忽略，所以在優(yōu)化模擬仿真時(shí)需要考慮其對(duì)應(yīng)力分布的影響。

利用有限元法對(duì)上述0.1 MPa傳感器的力敏結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，可知當(dāng)加載壓力使膜片上的最大應(yīng)力剛好達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時(shí)，膜片中心的撓度為1.6 μm。顯然，犧牲層厚度 H2＜1.6 μm 時(shí)，膜片在斷裂前可與襯底接觸，因此，需要采用非線性接觸分析來(lái)計(jì)算過(guò)載能力;而犧牲層厚度H2≥1.6 μm時(shí)，無(wú)需考慮膜片與襯底接觸問(wèn)題。

犧牲層厚度H2＜1.6 μm時(shí)，隨著犧牲層厚度的減小，使膜片與襯底剛好接觸所加載的壓力也隨之減小，當(dāng)犧牲層厚度減小使該加載壓力減小到剛好滿量程壓力時(shí)，犧牲層厚度不可再減小，否則傳感器在量程范圍內(nèi)將出現(xiàn)了非線性形變，這樣便確定了減小犧牲層厚度提高過(guò)載能力的極限值。經(jīng)過(guò)仿真，膜片長(zhǎng)度 a=300 μm、寬度 b=150 μm、膜片厚度H1=3 μm時(shí)，對(duì)應(yīng)的犧牲層厚度最小值為0.3 μm。下面利用有限元分析軟件對(duì)此參數(shù)的壓力傳感器進(jìn)行非線性接觸分析。按照模型建立、網(wǎng)格劃分、接觸對(duì)建立、加載、求解的順序進(jìn)行模擬仿真。當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時(shí)，加載壓力為1.55 MPa，仿真結(jié)果如圖4所示，其中點(diǎn)O處于膜片中心。

圖4 四分之一彈性膜片極限變形剖面圖

在壓力傳感器實(shí)際設(shè)計(jì)中，出于工藝精度的考慮，相比滿量程加載時(shí)，犧牲層厚度的最小值應(yīng)該留有余量。若以量程的50%為余量，則犧牲層厚度最小值應(yīng)為加載0.15 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸。經(jīng)過(guò)仿真后，留有余量的犧牲層厚度最小值為0.5 μm，此時(shí)當(dāng)膜片最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時(shí)，加載壓力為1.35 MPa。

犧牲層厚度H2＞1.6 μm時(shí)，進(jìn)行線性分析仿真，以H2=3.5 μm為例，按照模型建立、網(wǎng)格劃分、加載、求解的順序進(jìn)行線性模擬仿真。當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時(shí)，加載壓力為0.47 MPa，其應(yīng)力分布的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 四分之一彈性膜片極限變形時(shí)應(yīng)力分布圖

2.2 犧牲層厚度與過(guò)載能力間的關(guān)系

利用非線性接觸分析與線性分析的仿真方法，對(duì)犧牲層厚度 H2在 0.3 μm ～3.5 μm 之間變化時(shí)進(jìn)行具體的仿真，給出了膜片最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時(shí)，襯底和膜片之間的距離ΔH與犧牲層厚度H2的關(guān)系，如圖6所示。同時(shí)也給出了膜片最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時(shí)所施加的壓力載荷Pmax(過(guò)載能力)與犧牲層厚度H2關(guān)系，如圖7所示。

圖6 犧牲層厚度H2與襯底和膜片間距ΔH關(guān)系

圖7 過(guò)載能力Pmax與犧牲層厚度H2關(guān)系

由圖7可見(jiàn)，犧牲層厚度H2小于1.6 μm時(shí)，由于彈性膜片在斷裂前受到襯底的支撐，傳感器的過(guò)載能力隨犧牲層厚度的減小得到顯著提高。

3 討論

通過(guò)前面對(duì)過(guò)載能力的分析可以看到，對(duì)于犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器，可以通過(guò)減小犧牲層厚度的方法提高過(guò)載能力，但犧牲層厚度不可過(guò)小，否則傳感器在量程范圍內(nèi)將出現(xiàn)了非線性形變。對(duì)于量程為0.1 MPa的犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器，犧牲層厚度最小值為0.3 μm，其過(guò)載能力為 1.55 MPa，明顯大于犧牲層厚度較大且彈性膜片斷裂前不和襯底接觸的壓力傳感器的過(guò)載能力，比犧牲層厚度為3.5 μm傳感器的過(guò)載能力(0.47 MPa)提高223%。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證傳感器在正常工作壓力范圍內(nèi)的線性精度，應(yīng)該根據(jù)工藝精度，適當(dāng)增加犧牲層厚度。如果將上述最小犧牲層厚度值(0.3 μm)增加到0.5 μm，則相應(yīng)的過(guò)載能力降低為1.35 MPa，仍然比犧牲層厚度為3.5 μm 傳感器的過(guò)載能力(0.47 MPa)高180%。

從圖6的仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)H2≤1.6 μm時(shí)，ΔH=0，彈性膜片在斷裂時(shí)已經(jīng)和襯底接觸，傳感器的過(guò)載能力可得到有效提高。這一點(diǎn)可從圖7的仿真結(jié)果得到進(jìn)一步說(shuō)明，當(dāng)H2≤1.6 μm時(shí)，膜片最大應(yīng)力達(dá)到硅的斷裂強(qiáng)度時(shí)所施加的壓力載荷Pmax隨H2減小急劇變大，這是因?yàn)榇藭r(shí)膜片與襯底接觸，傳感器應(yīng)變非線性變化程度增加，抗過(guò)載能力得到了極大的提高;當(dāng) H2＞1.6 μm 時(shí)，Pmax隨著 H2變大緩慢增加，基本保持在最小值附近。因此通過(guò)適當(dāng)控制犧牲層厚度，可以有效提高傳感器的抗過(guò)載能力。

4 結(jié)論

針對(duì)犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)，本文在保證傳感器滿量程范圍內(nèi)線性響應(yīng)的前提下，調(diào)整犧牲層厚度，通過(guò)彈性膜片與襯底的適當(dāng)接觸來(lái)有效提高傳感器的過(guò)載能力。利用有限元法，對(duì)傳感器彈性膜片的應(yīng)力分布進(jìn)行了靜態(tài)線性分析和非線性接觸分析，得到了下述結(jié)論。

對(duì)于犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器，可以通過(guò)減小犧牲層厚度的方法提高過(guò)載能力，但犧牲層厚度不可過(guò)小，否則傳感器在量程范圍內(nèi)將出現(xiàn)了非線性形變。

對(duì)于量程為0.1 MPa的犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器，通過(guò)適當(dāng)控制犧牲層厚度，可以使傳感器的過(guò)載能力提高180%～220%。

［1］BAO Minghang，YU Lianzhong，WANG Yan.Stress Concentration Structure with Front Beam for Pressure Sensor［J］.Sensors and Actuators，1991，28(2):105-112.

［2］PEDERSEN C，JESPERSEN S.T，KROG J.P，CHRISTENSENSERL C，et al.Combined Differential and Static Pressure Sensor Based on a Double-Bridged Structure［J］.Sensors Journal，IEEE.，2005，5(3):446-454.

［3］KOVACS G T A，MALUF N I，PETERSEN K E.Bulk Micro-Machining of Silicon［J］.Proceedings of the IEEE，1998，86(8):1536-1551.

［4］BUSTILLO J M，HOWE R T，MULLER R S，et al.Surface Micromaching for Microelectromechanical Systems［J］.Proceedings of the IEEE，1988，86(8):1552-1574.

［5］WANG Xujian.Overload Protection Design of Silicon Pressure Sensor［J］.Instrument Technique and Sensor，2010，(1):7-9.

［6］ZHAO Yulong，ZHAO Libo，JIANG Zhuangde.A Novel High Temperature Pressure Sensor on the Basis of SOI Layers［J］.Sensors and Actuators，2003，108(1):108-111.

［7］Suski J，Mosser V，Goss J.Polysilicon SOI Pressure Sensor［J］.Sensors and Actuators，1989，17(3):405-414.

［8］揣榮巖，劉曉為，霍明學(xué)，等.摻雜濃度對(duì)多晶硅納米薄膜應(yīng)變系數(shù)的影響［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27(7):1230-1235.

［9］LIU Xiaowei，LU Xuebin，CHUAI Rongyan.Polysilicon Nanofilm Pressure Sensor［J］.Sensors and Actuators A，2009，154(1):42-45.

［10］French P J，Gennissen P T J，Sarro P M.New Silicon Micromaching Techniques for Microsystems［J］.Sensors and Actuators，1997，62(1):652-662.

［11］揣榮巖，崔林，王健，等.多晶硅納米薄膜犧牲層壓力敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010，(2):10-13.

［12］趙艷平，丁建寧，楊繼昌，等.微型高溫壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(5):1829-1831.

［13］倪智琪，姚素英，張生才，等.SOI單晶硅壓力傳感器模擬計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，16(1):92-95.