氮化鉭薄膜壓力傳感器研究

謝貴久，周國方，何 峰，藍(lán)鎮(zhèn)立，王 棟，龔杰洪，季惠明

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長沙410111;2.薄膜傳感技術(shù)湖南省國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410111;3.天津大學(xué)，天津300072）

1 引 言

氮化鉭薄膜是一種優(yōu)良的壓阻材料，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，目前已知的相有11種之多[1-3]。氮化鉭具有高穩(wěn)定性，較低電阻溫度系數(shù)、適中應(yīng)變因子、優(yōu)良耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，是一種廣泛應(yīng)用用途航空航天、微電子、動力機(jī)械等領(lǐng)域的材料。此外，相較于目前常用的鎳鉻合金薄膜材料，TaN薄膜的具有更優(yōu)異的自鈍化特性，能在空氣中生成一層致密的Ta2O3膜，并能在非密封狀態(tài)下工作，抵抗水氣侵蝕，從而具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性。因此，氮化鉭薄膜壓力傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景，但氮化鉭為化合物材料，需研究制備及熱處理工藝得到穩(wěn)定可靠的壓力傳感器。

2 工作原理

薄膜壓力傳感器的工作原理如圖1所示，薄膜應(yīng)變傳感原理是氣體壓力P作用在金屬彈性體上使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，采用直流離子束濺射等技術(shù)在彈性體結(jié)構(gòu)上制作組成電橋的薄膜電阻，彈性體變形使應(yīng)變電阻阻值發(fā)生變化，電橋輸出與壓力成比例的電信號。通過改變彈性體結(jié)構(gòu)的厚度，將壓力量轉(zhuǎn)換為位移形變量，以便傳遞給薄膜電阻，使電阻產(chǎn)生相應(yīng)的形變，可制造不同量程的壓力傳感器。

圖1 應(yīng)變原理圖

3 結(jié)構(gòu)及版圖設(shè)計(jì)

3.1 膜厚設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)候采用的是圓形平薄膜片的結(jié)構(gòu)作為壓力傳感器的感壓元件。設(shè)計(jì)鋼杯結(jié)構(gòu)時(shí)，通過在膜片邊緣處通過R0.4內(nèi)倒角解決膜片邊緣應(yīng)力集中的問題，可以保證在過載200%滿量程條件下膜片不會達(dá)到彈性極限。

此時(shí)，圓形平薄膜片的厚度設(shè)計(jì)就是影響傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素。膜片的設(shè)計(jì)厚度為0.5mm，通過研磨拋光減薄40μm后，經(jīng)測試，在過載130MPa條件下，芯體性能未出現(xiàn)突變。

3.2 應(yīng)變版圖設(shè)計(jì)

周邊固支平薄膜片的徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變公式如下[4]：

其中：εr為徑向應(yīng)變，εt為切向應(yīng)變，p為均布壓力（Pa），μ為膜片材料泊松比，R為平薄膜片半徑（cm），r為膜片任意部位半徑（cm），E為膜片材料彈性模量（Pa），h為膜片厚度（cm）。版圖設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 應(yīng)變版圖設(shè)計(jì)

如圖2(a)所示，在圓心處徑向應(yīng)變與切向應(yīng)變?yōu)榇笮∠嗟鹊睦瓚?yīng)變，在平膜片邊緣徑向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，切向應(yīng)變?yōu)榱恪１∧る娮璧陌鎴D設(shè)計(jì)要最大化利用彈性體的應(yīng)變區(qū)域，提高輸出靈敏度。由應(yīng)變計(jì)原理可知，當(dāng)應(yīng)變電阻的圖形的幾何對稱完全與應(yīng)力分布方向相吻合時(shí)，應(yīng)變電阻產(chǎn)生的應(yīng)變電阻值最大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)最大化將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為阻值變化，如圖2(b)所示。

3.3 封裝設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器設(shè)計(jì)量程為50MPa，產(chǎn)品直徑小于20mm，最大破壞壓力為135MPa，因此傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的主要難點(diǎn)為135MPa耐壓以及小型化封裝的設(shè)計(jì)。

圖3 封裝結(jié)構(gòu)圖

在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用端面密封結(jié)構(gòu)，敏感芯片與基座通過激光焊密封，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證加壓結(jié)構(gòu)和焊縫均可以承受135MPa壓力。

傳統(tǒng)的濺射薄膜芯片封裝采用焊錫固定內(nèi)外引線板，導(dǎo)致產(chǎn)品直徑超過28mm。為減小傳感器封裝尺寸，選用引線支架引出芯片的輸入輸出，該引線直接直接固定5根Ф0.8 mm鍍金引針，基座通過激光焊與支架固定。內(nèi)引線板穿過5根鍍金引針用焊錫固定在支架上，芯片與內(nèi)引線板采用金絲球焊連接。固定環(huán)與支架通過激光焊連接，外引線板穿過5個(gè)鍍金引針用焊錫固定在固定環(huán)的卡槽上，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器封裝小型化、輕質(zhì)化。

4 實(shí) 驗(yàn)

芯片用彈性體材料用17-4PH不銹鋼，其彈性模量大于197GPa。通過機(jī)械磨盤研磨拋光完成該不銹鋼彈性基底的平坦化處理。采用直流離子束濺射鍍膜的方法在經(jīng)過處理的不銹鋼彈性基底上沉積緩沖層和絕緣層。采用直流離子束反應(yīng)濺射沉積工藝，在絕緣層上沉積氮化鉭薄膜[5]，靶材為99.99%純度的Ta靶，尺寸為110 mm×100 mm×3 mm，濺射氣體采用99.99%的氬氣和氮?dú)饣旌蠚?，本底真空?×10-4Pa，濺射氣壓為 2.7×10-2Pa，N2/Ar2流量比為3%，沉積時(shí)間30 min。

采用真空氣氛熱處理完成該氮化鉭薄膜的退火工藝，本底真空為5×10-2Pa，通入氬氣作為保護(hù)氣體，退火氣壓為0.1 Pa，退火溫度為700℃，退火時(shí)間為1 h。

通過離子束刻蝕經(jīng)氮化鉭薄膜[6]，形成四個(gè)電阻橋組成惠斯通全橋電路，內(nèi)電阻分布在靠近彈性體應(yīng)變區(qū)域的中心，外電阻分布在靠近應(yīng)變區(qū)域的邊緣。利用離子束濺射沉積工藝依次沉積金屬Ti（10nm）、金屬鉑（100nm）及金電極（800 nm）及鈍化層SiO2（250nm）。各層薄膜結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 薄膜層示意圖

5 結(jié)果與討論

熱處理工藝對零點(diǎn)穩(wěn)定性的影響如圖5。其中圖5(a)為未經(jīng)退火工藝芯體零點(diǎn)輸出的長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，圖5(b)為退火處理后芯體零點(diǎn)輸出的長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，未經(jīng)退火工藝的樣品零點(diǎn)漂移十分嚴(yán)重，在同樣溫度環(huán)境下最大可以就漂移量可以達(dá)到200μV，而經(jīng)過熱處理的傳感器的在同一溫度下的零點(diǎn)漂移量小于5μV。

圖5 熱處理工藝對零點(diǎn)穩(wěn)定性的影響

由于TaN具有多種相，在沒有達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)下，在空氣或者濕氣的影響下，薄膜會發(fā)生性能的改變，導(dǎo)致薄膜電阻阻值發(fā)生長期漂移[7]。經(jīng)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗?，薄膜達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的化學(xué)態(tài)，外界條件改變其電阻能力大幅下降，體現(xiàn)為傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定性大幅度提高。

傳感器的性能測試結(jié)果如表1所列，從表中可以看出，采用TaN作為敏感材料的濺射薄膜壓力傳感器具有優(yōu)異的非線性、高靈敏度等特點(diǎn)[8]。

表1 傳感器性能測試結(jié)果

6 結(jié)束語

針對氮化鉭薄膜壓力傳感器性能研究，設(shè)計(jì)了一種小型化、輕量化的結(jié)構(gòu)及應(yīng)變版圖，采用直流反應(yīng)離子濺射的方法制備氮化鉭功能薄膜，利用高溫退火爐對傳感器進(jìn)行熱處理，在退火溫度700℃，退火時(shí)間30min，得到了零點(diǎn)穩(wěn)定性高的氮化鉭薄膜壓力傳感器芯片。

該傳感器所用TaN敏感材料，擁有優(yōu)異的靜態(tài)性能特性，高靈敏度等特性。相對于傳統(tǒng)鎳鉻敏感材料存在工藝更復(fù)雜、溫度特性差等不足，可滿足溫度特性要求低、靈敏度要求高的型號產(chǎn)品應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]NA S M,PARK I S,PARK S Y,et al.Electrical and structural properties of Ta–N thin film and Ta/Ta–N multilayer for embedded resistor[J].Thin Solid Films,2008,516(16):5465-5469.

[2]KANG S M,YOON S G,SUH S J,et al.Control of electrical resistivity of TaN thin films by reactive sputtering for embedded passive resistors[J].Thin Solid Films,2008,516(11):3568-3571.

[3]CUONG N D,YOON S G,KIM D J,et al.Ti(N)thin film resistors for 20 dB Π-type attenuator applications[J].Applied Physics Letters,2007,90(18):183506.

[4]MONJE R R,VASSILEV V,PAVOLOTSKY A,et al.High quality microstrip termination for MMIC and millimeterwave applications[C]//Microwave Symposium Digest,2005 IEEE MTT-S International.IEEE Xplore,2005:4 pp.

[5]楊文茂,張琦,陶濤,等.非平衡磁控濺射沉積Ta-N薄膜的結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能研究 [J].功能材料,2006,37(10):1593-1595.YANG Wenmao,ZHANG Qi,TAO Tao,et al.The microstructure and eletrical propertical of Ta-N films synthesized by unbalanced magnetron sputtering[J].Journal of Functional Materials,2006,37(10):1593-1595.

[6]SHIMADA H,MARUYAMA K.Highly selective etching of Tantalum electrode to thin gate dielectrics using SiCl4-NF3 gas mixture plasma [J].Japanese Journal of Applied Physics,2014,43(4):1768-1772.

[7]HUANG C C,CHIANG K C,KAO H L,et al.RFIC TaN/SrTiO3/TaN MIM capacitors with 35fF/muhboxm2capacitance density[J].IEEE Microwave&Wireless Components Letters,2006,16(9):493-495.

[8]張洪潤.傳感器技術(shù)大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007,8:227.ZHANG Hongrun.Sensor technology encyclopedia[M].Beijing:Beihang University Press,2007,8:227.