與CMOS工藝兼容的皮拉尼傳感器研究*

汪家奇，唐禎安

(大連理工大學(xué)半導(dǎo)體技術(shù)學(xué)院，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116024)

真空傳感器是真空科學(xué)研究與真空測(cè)試技術(shù)中的重要器件。皮拉尼傳感器廣泛用于105Pa～10-1Pa的粗真空的測(cè)量[1]。它包含暴露于被測(cè)氣體環(huán)境之中的加熱體，它被流經(jīng)的電流所加熱，被周?chē)臍怏w散熱所冷卻。如果氣壓降低，氣體散熱減少，因此在加熱電流恒定的情況下，加熱體的溫度就會(huì)上升，反之亦然[2]。通常加熱體的電阻是溫度的函數(shù)，并且要求其溫度系數(shù)較大，通過(guò)測(cè)量加熱體兩端的電壓及流經(jīng)的電流，就可以計(jì)算得到加熱體的電阻，繼而求得其溫度以及對(duì)應(yīng)的氣壓。

皮拉尼傳感器的研究經(jīng)歷小型化，微型化的趨勢(shì)，目前的微型化皮拉尼傳感器的研究集中在硅微MEMS皮拉尼傳感器[3-4]以及同標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的皮拉尼傳感器上[5-6]。本文研制了一款與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的集成皮拉尼傳感器，它是以鎢微熱板為敏感元件，在片上集成恒電流驅(qū)動(dòng)電路，利用該芯片可單獨(dú)完成氣壓的測(cè)量，其對(duì)10-1Pa～105Pa的氣壓有響應(yīng)，對(duì)1 Pa～100 Pa氣壓具有線性響應(yīng)。

1 傳感器設(shè)計(jì)及加工

皮拉尼傳感器以微熱板為敏感元件，其加熱電阻的材料是傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它決定了皮拉尼傳感器的功耗，靈敏度，長(zhǎng)期穩(wěn)定性等參數(shù)。加熱電阻通常的材料有多晶硅[7]，摻雜硅[8]，金屬[9-10](包括鋁，鉑等)，納米管[11]等，需要結(jié)合工藝與應(yīng)用條件來(lái)選擇。本文采用鎢作為加熱電阻，它具有高熔點(diǎn)(3 417℃)，抗電遷徙的特性，較高的溫度系數(shù)，性能穩(wěn)定，并且鎢作為CMOS工藝中的通孔材料，能夠同CMOS工藝完全兼容。

傳感器采用0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，它包含兩層多晶硅(Poly1，Poly2)和三層金屬(Metal1，Metal2，Metal3)，在 Metal1 與 Metal2 之間的連接是采用鎢作為連接的。以這層鎢為加熱電阻，在鎢電阻的下面預(yù)先埋下0.34 μm的多晶硅Poly2作為犧牲層，在CMOS工藝中光刻壓焊孔的同時(shí)也光刻微熱板的腐蝕窗口，形成刻蝕窗口，如圖1(a)所示。圖1(b)說(shuō)明在刻蝕壓焊孔的同時(shí)把微熱板的腐蝕窗口打開(kāi)，由于刻蝕壓焊口的工藝采用的是過(guò)刻蝕，所以確保刻蝕到預(yù)先埋下的犧牲層，在刻蝕工藝之后，作為犧牲層的多晶硅Poly2會(huì)暴露出來(lái)。以上兩個(gè)步驟是在芯片加工廠完成的。經(jīng)過(guò)劃片之后，要進(jìn)行post-CMOS加工，如圖1(c)所示。利用不腐蝕鋁焊盤(pán)的TMAH(四甲基氫氧化銨)溶液來(lái)腐蝕Poly2犧牲層，大約需要8 h溶解Poly2犧牲層[12]。

圖1 微熱板的工藝步驟

圖2是鎢微熱板的顯微鏡和SEM照片，它的尺寸是80 μm×80 μm，采用 4臂支撐的結(jié)構(gòu)，鎢加熱電阻是蛇形的，其寬度為2 μm。微熱板在結(jié)構(gòu)釋放之后，無(wú)明顯變形與結(jié)構(gòu)坍塌。

圖2 鎢微熱板的顯微鏡與SEM照片

2 傳感器的恒電流驅(qū)動(dòng)電路

恒電流驅(qū)動(dòng)電路是指無(wú)論外界測(cè)量的氣壓如何變化，流經(jīng)傳感器加熱電阻的電流為恒值，其原理圖如圖3所示。其中R1為微熱板電阻，R2為制作在襯底上的參考電阻，Vref為參考電壓，Vout為輸出電壓。當(dāng)Vref為恒定值時(shí)，根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短原理，流經(jīng)R2的電流為恒定值，又根據(jù)運(yùn)算放大器的虛斷原理，流經(jīng)R1的電流為恒定值，這樣實(shí)現(xiàn)了流經(jīng)微熱板的電流為恒值的要求。

圖3 恒電流驅(qū)動(dòng)電路

恒流電路的輸出表達(dá)式為:

流經(jīng)微熱板的電流使微熱板升溫，隨著氣壓的降低，氣體導(dǎo)熱減小，而加熱電流不變，微熱板的溫度上升，由于鎢加熱電阻具有正溫度系數(shù)，輸出電壓會(huì)隨著氣壓的降低而增大。

本文結(jié)合上述0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種5 V單電源工作、輸入輸出電壓都能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)電源幅度的CMOS運(yùn)算放大器，它由偏置電路、輸入級(jí)、增益級(jí)、輸出級(jí)四部分組成。圖4是皮拉尼傳感器的SEM照片，包括4個(gè)微熱板串聯(lián)構(gòu)成陣列及運(yùn)算放大器。

圖4 皮拉尼傳感器的SEM照片

3 對(duì)氣壓的測(cè)試結(jié)果

選取微熱板電阻為570 Ω，參考電阻為360 Ω的傳感器進(jìn)行測(cè)量，參考電壓為1.25 V電壓，將傳感器測(cè)試板放入真空腔中，按照測(cè)試系統(tǒng)的操作規(guī)范將真空腔內(nèi)真空度從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓降至10-1Pa，再?gòu)?0-1Pa升至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)記錄傳感器的輸出值及對(duì)應(yīng)的氣壓值，從圖5的測(cè)試結(jié)果看，傳感器對(duì)105Pa～10-1Pa的氣壓有響應(yīng)。

另外，針對(duì)于皮拉尼傳感器常用的響應(yīng)區(qū)間1 Pa～100 Pa進(jìn)行了較為精確的測(cè)量，如圖6所示，傳感器的線性度為4.95%，靈敏度為0.23 mV/Pa。因此，1 Pa～100 Pa是該款傳感器可應(yīng)用的測(cè)量區(qū)間。

圖5 傳感器對(duì)105Pa～10-1Pa的響應(yīng)

圖6 傳感器對(duì)1 Pa～100 Pa的響應(yīng)

4 結(jié)論

本文針對(duì)于基于MEMS工藝的皮拉尼傳感器進(jìn)行了進(jìn)一步的探索，研制了一款利用0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝加工的皮拉尼傳感器。該傳感器利用恒流驅(qū)動(dòng)的鎢微熱板進(jìn)行氣壓測(cè)量，對(duì)105Pa～10-1Pa的氣壓有響應(yīng)，尤其對(duì)1 Pa～100 Pa的真空度有線性響應(yīng)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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