一種壓阻式微壓傳感器芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳佐飛， 尹延昭， 田 雷， 王永剛

0 引 言

目前，硅微壓傳感器已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、海洋、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域重要參數(shù)的精確檢測和測量提供了可靠的數(shù)據(jù)支持[1]。硅微壓傳感器存在的主要問題是靈敏度低，非線性誤差大，因此，研究如何提高硅微壓傳感器的靈敏度、改善其非線性具有重要意義[2]。

本文設(shè)計(jì)了具有應(yīng)力勻散效應(yīng)的梁—膜結(jié)構(gòu)量程為5 kPa的微壓傳感器芯片，經(jīng)過封裝及測試，該芯片的靈敏度達(dá)到了24 mV/kPa，非線性優(yōu)于0.2 %FS。

1 工作原理

半導(dǎo)體硅材料在受到外力作用產(chǎn)生應(yīng)變時,電阻率發(fā)生變化 ,由硅材料制成的電阻器也發(fā)生阻值變化 ,這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體硅材料由于其電阻率的變化而導(dǎo)致電阻值的相對變化為[3]

(1)

式中πl(wèi)為縱向壓阻系數(shù)；πt為橫向壓阻系數(shù)；σl為縱向應(yīng)力；σt為橫向應(yīng)力。πl(wèi)和πt均與硅單晶的晶向有關(guān)，σl,σt取決于薄膜的受力情況。

本文通過離子注入工藝在絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)硅敏感膜上摻雜形成4只壓敏電阻器構(gòu)成惠斯通電橋。4只擴(kuò)散電阻器，對稱分布于傳感器芯片的膜片的力敏區(qū)域，其中2只電阻器置于壓應(yīng)力區(qū)，另2只電阻置于拉應(yīng)力區(qū)域，使2對電阻器感受到的應(yīng)力的方向相反。當(dāng)敏感薄膜受到一定的壓力作用時，應(yīng)力使載流子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變，膜片產(chǎn)生形變導(dǎo)致4只電阻器阻值發(fā)生變化，在惠斯通電橋上輸出電壓信號，該電壓信號與施加壓力成正比，實(shí)現(xiàn)了壓力信號測量。

2 敏感膜結(jié)構(gòu)

硅壓阻式壓力傳感器通常采用平膜片結(jié)構(gòu)，在低壓應(yīng)用時，為了提高靈敏度[4]必須減薄硅敏感膜片，造成了工藝上的困難，同時大撓度效應(yīng)還會使非線性變壞。為了實(shí)現(xiàn)微小壓力的精確測量，國內(nèi)外先后提出島—膜結(jié)構(gòu)、梁—膜結(jié)構(gòu)以及梁—膜—島結(jié)構(gòu)等[5]。本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的具有應(yīng)力勻散效應(yīng)的梁—膜結(jié)構(gòu)。

圖1 梁—膜結(jié)構(gòu)示意

3 力敏電阻條設(shè)計(jì)

3.1 敏感電阻器阻值

敏感電阻器阻值應(yīng)與電橋輸出端負(fù)載相匹配[6]。當(dāng)負(fù)載有較大變化時，電橋的輸出電流不應(yīng)有大的變化。當(dāng)橋臂電阻值為幾千歐姆時，電橋的輸出變化很小。同時，由于硅壓阻式傳感器對溫度敏感, 應(yīng)盡量降低自加熱產(chǎn)生的熱量, 橋臂電流一般不宜過大，本文設(shè)計(jì)的微壓芯片激勵電流為0.5 mA，敏感電阻值為4 kΩ。

3.2 力敏電阻條寬度

在確定注入電阻器表面摻雜濃度情況下,電橋輸出的時漂同電流流過電阻器時引起的自身發(fā)熱有關(guān),通過計(jì)算得出力敏電阻條單位面積功耗應(yīng)不大于5×10-3mW/μm2。

單位面積功耗的計(jì)算如下[7]

(2)

式中R0為電阻值；W為電阻條寬；L為電阻條長度；I為電流大?。籖W為方塊電阻值。

單位條寬工作電流為

(3)

方塊電阻值RW與摻雜濃度大小有關(guān)，本文設(shè)計(jì)的單位條寬方塊電阻值為400 Ω/μm。計(jì)算得到IW=0.11 mA/μm。

從對梁—膜結(jié)構(gòu)的有限元分析和近似解析分析中發(fā)現(xiàn)，減小窄梁區(qū)的長度和寬度可以明顯地使梁上的應(yīng)力增大。綜合考慮力敏電阻條長寬等平面尺寸對摻雜均勻性的要求,以及傳感器零點(diǎn)輸出在此部分的影響,引入了應(yīng)力勻散結(jié)構(gòu)。綜合考慮后，本文設(shè)計(jì)的電阻條寬度為6 μm。

3.3 力敏電阻條長度

本文設(shè)計(jì)的敏感電阻由2個電阻條組成，彼此通過鋁引線相連。為減小針孔引起的不穩(wěn)定因素,在芯片版圖設(shè)計(jì)中，互連鋁條及鋁壓腳均采用濃硼過渡區(qū)設(shè)計(jì)。其中力敏電阻阻值設(shè)計(jì)為4 kΩ，力敏電阻的方塊電阻數(shù)值為400 Ω/μm，計(jì)算可得方塊數(shù)為4 000/400=10，而電阻條寬度為6 μm，因此,力敏電阻條的長度為60 μm。

4 力敏電阻條位置確定

為了解決靈敏度和非線性的矛盾，在結(jié)構(gòu)上，本文設(shè)計(jì)了具有應(yīng)力勻散效應(yīng)的梁—膜結(jié)構(gòu)，微壓芯片有更好的線性和更高的靈敏度，利用ANSYS軟件對該梁—膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析[8]，將5 kPa載荷施加到該結(jié)構(gòu)上，其應(yīng)力分布如圖2所示。因此,決定將力敏電阻器放置于仿真得到的應(yīng)力變化最大區(qū)域內(nèi)。

圖2 梁—膜結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

通過理論分析，隨著芯片的邊長的增加，梁—膜中間應(yīng)力差和邊緣應(yīng)力差均呈現(xiàn)上升趨勢，即在相同的外在壓力下，較長的芯片具有較大的應(yīng)力輸出，通過惠斯通電橋產(chǎn)生較大的電壓輸出，對傳感器的靈敏度有利；并且隨著芯片邊長的增加，芯片上的最大彎曲形變變得更小，即傳感器的線性度得到了提高，傳感器的抗過載能力得到了一定程度的提高。因此，綜合微壓傳感器的靈敏度和線性，芯片的邊長均應(yīng)該盡量長，對傳感器的性能的提高能起到很大的作用。但需要注意，由于芯片的總體尺寸長度有限，芯片的尺寸不宜過大，以免對后續(xù)電路的設(shè)計(jì)及封裝帶來一定的負(fù)面影響。因此，本文設(shè)計(jì)的芯片尺寸為3.4 mm×3.4 mm，芯片的整體版圖如圖3所示。

圖3 芯片版圖

5 制作工藝

由于Si的熱膨脹系數(shù)為αSi=3.7×10-6/℃，SiO2為αSiO2=1.6×10-6/℃，二者的熱膨脹系數(shù)不匹配，會引起一個數(shù)量級約108Pa的壓應(yīng)力。在微壓傳感器設(shè)計(jì)中，SiO2對梁—膜區(qū)的壓應(yīng)力已成為不能忽略的不穩(wěn)定因素。由于αSi3N4=3.85×10-6/℃,采用Si3N4—SiO2—Si的復(fù)合鈍化層結(jié)構(gòu)從理論上可以獲得最佳的正負(fù)應(yīng)力匹配。通過計(jì)算,得出Si3N4和SiO2的正負(fù)應(yīng)力匹配的最佳厚度配比值為1︰3。

本文最終選擇SOI硅片作為襯底材料，生長比例為1︰3的SiO2和Si3N4后，利用離子注入技術(shù)在SOI硅片上制作出4只壓敏電阻器構(gòu)成惠斯通電橋，硅片正面和背面采用ICP蝕刻工藝制作梁—膜結(jié)構(gòu)膜片，通過靜電鍵合的方法將SOI硅片與硼硅玻璃片封接形成壓敏芯片，如圖4所示。為了

消除玻璃—硅靜電鍵合時引進(jìn)的殘余應(yīng)力影響,靜電封接之后對硅片進(jìn)行了500 ℃退火。

圖4 芯片實(shí)物

6 結(jié) 論

根據(jù)制定的工藝流程，制作光刻版后，在中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所的MEMS工藝線進(jìn)行流片，制作了芯片并封閉成傳感器，使用微壓測控儀進(jìn)行了性能測試，傳感器的靈敏度達(dá)到了24 mV/kPa，非線性優(yōu)于0.2 %FS。

參考文獻(xiàn):

[1] 祁宏山.基于摻硼納米硅薄膜材料的微壓壓力傳感器芯片研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009：3-4.

[2] 王 峰，譚曉蘭，張敏亮.壓阻式微壓力傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].自動化儀表，2013，34(3)：83-86.

[3] 孫以材,劉玉嶺,孟慶浩.壓力傳感器的設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

[4] 齊 虹，王明偉，丁文波，等.集成加速度傳感器敏感芯片性能影響因素及其仿真分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35(8)：30-32.

[5] 李 新，劉 野，劉 沁，等.基于SOI晶圓材料的硅微壓傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(5)：15-16.

[6] 孫以材,劉玉嶺,孟慶浩.壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2000.

[7] 劉君華.智能傳感器系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技出版社,1999.

[8] 章曉明，劉曉東，班 炯，等.一種新型微力傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(3)：100-102.