一種用于惡劣環(huán)境下的貼片式MEMS壓力傳感器

(1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621700； 2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽(yáng) 621700)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中，壓力是最常見的測(cè)量參數(shù)之一，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流道氣體壓力和油路液體壓力等。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣體壓力測(cè)量主要采用壓力探針將被測(cè)壓力通過(guò)一段較長(zhǎng)的引壓管與壓力傳感器相連通，由于引壓管的影響，使壓力測(cè)量的頻響不高，測(cè)量結(jié)果也存在滯后現(xiàn)象，限制了對(duì)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)一步擴(kuò)充的使用要求。因此，最理想的做法就是將壓力傳感器直接集成在壓力探針引壓孔內(nèi)部，即所謂一體化設(shè)計(jì)，消除引壓管對(duì)壓力測(cè)量的影響。然而，該方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常有挑戰(zhàn)性的，具體表現(xiàn)在：壓力探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，引壓孔尺寸非常小，同時(shí)還要承受較大的氣流沖擊和機(jī)械振動(dòng)等極其惡劣的工作環(huán)境。因此，一體化壓力傳感器的小型化以及工作的穩(wěn)定性和可靠性是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

根據(jù)工作原理的不同，壓力傳感器可以分為電容式、壓電式、壓阻式、聲表面波式等類型[1]。MEMS壓阻式壓力傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、靈敏度高等突出優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的研究與應(yīng)用。但將其集成在壓力探針中，并適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，仍存在一些影響其穩(wěn)定性及可靠性的因素：① 傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器芯片通常是將壓敏電阻制作在敏感膜片的上表面，電阻器直接與外界接觸，其檢測(cè)性能極易受到外界雜質(zhì)的影響，無(wú)法保證其工作的穩(wěn)定性；② 傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器芯片在封裝時(shí)，因其焊盤尺寸小，一般是通過(guò)壓焊鋁絲與外電路連接，但壓焊的鋁絲直徑極細(xì)(約10 μm)，在振動(dòng)或氣壓脈動(dòng)的沖擊下，鋁絲容易脫落或斷裂，導(dǎo)致傳感器的失效，難以有效保證其工作的可靠性。

為了規(guī)避上述問(wèn)題，通常將壓力傳感器芯片封裝在充滿硅油的不銹鋼密閉腔體中，不銹鋼膜片將感知到的壓力通過(guò)硅油間接傳遞到壓力傳感器芯片[2]。這種方法雖然有效杜絕了傳感器使用中惡劣環(huán)境的影響，但間接傳遞過(guò)程極大降低了壓力傳感器的響應(yīng)速度，而且封裝后整體尺寸非常大，無(wú)法集成在壓力探針引壓孔內(nèi)部?；诖耍疚奶岢隽艘环N新的壓阻式壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，將壓敏電阻制作在敏感薄膜下表面，并結(jié)合硅-玻璃陽(yáng)極鍵合技術(shù)將壓敏電阻及內(nèi)部連接電路封裝于玻璃基底的壓力腔中，從而避免外界雜質(zhì)對(duì)壓敏電阻的影響。同時(shí)，在薄膜上方設(shè)計(jì)兩個(gè)用于與外部信號(hào)處理電路連接的大焊盤，通過(guò)錫焊(或釬焊)將傳感器芯片與外部電路連接，極大地提高了連接的可靠性，可有效保證測(cè)量過(guò)程中信號(hào)的傳輸。

1 傳感器芯片的設(shè)計(jì)

1.1 芯片總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中壓力探針與MEMS壓力傳感器一體化集成設(shè)計(jì)的需求，基于半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)原理，提出了一種高可靠性貼片式壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。壓敏電阻由傳統(tǒng)的暴露型改為隱藏型，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的封裝處理，就能實(shí)現(xiàn)壓敏電阻與外界惡劣環(huán)境的隔離，極大地提高了壓敏電阻阻值在油污、粉塵顆粒等惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，為了解決芯片與外部電路連接的鋁絲易斷裂或脫落的難題，將傳統(tǒng)的小焊盤改成大焊盤(尺寸需大于0.5 mm×0.5 mm)，并用錫焊(或釬焊)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓焊鋁絲技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與外部電路的連接，提高了壓力傳感器的電氣連接強(qiáng)度，有效降低了傳感器在脈動(dòng)沖擊和振動(dòng)環(huán)境下的故障率。

傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器通常都制作成全橋型壓力傳感器(即敏感薄膜上由4個(gè)橋臂電阻組成一個(gè)閉環(huán)或開環(huán)惠斯通電橋)，需要設(shè)計(jì)至少4個(gè)用于與外部電路連接的大焊盤[3]，傳感器芯片的整體尺寸至少需要增大2倍，使得傳感器芯片無(wú)法安裝在壓力探針的引壓孔內(nèi)部。為了解決錫焊(或釬焊)連接技術(shù)與芯片尺寸變大的矛盾，將傳統(tǒng)的全橋型壓力傳感器改成單電阻型壓力傳感器，在敏感薄膜上只制作有一個(gè)壓敏電阻和兩個(gè)大焊盤，使得芯片既能滿足探針與傳感器一體化設(shè)計(jì)的小型化需求，又具有較高的可靠性和一定的靈敏度。芯片的總體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，該芯片主要由玻璃基底、焊盤、壓敏電阻和硅薄膜組成。該傳感器的工作原理如圖1(b)所示，利用恒流源給壓力傳感器壓敏電阻供電，在外界壓力作用下，敏感薄膜發(fā)生變形，硅薄膜的壓阻效應(yīng)使得壓敏電阻阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓變化即可反映出壓力的變化量。

圖1 壓力傳感器芯片總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 芯片詳細(xì)參數(shù)的設(shè)計(jì)

1.2.1 薄膜結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

薄膜的形狀通常有方形和圓形兩種，在相同條件下，由于方形薄膜靈敏度比圓形薄膜高，因此芯片敏感薄膜的形狀選為方形[4]。方形薄膜的尺寸設(shè)計(jì)主要包括：薄膜的邊長(zhǎng)和薄膜的厚度。參照壓力傳感器行業(yè)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿量程電阻變化率不小于2%。電阻變化率的計(jì)算方法為[5]

(1)

式中，π44為壓阻系數(shù)，在P型硅中π44=138.1×10-11Pa-1；p為傳感器量程的最大值(此處p=0.7 MPa);a為薄膜的邊長(zhǎng);h為薄膜的厚度。要使壓力傳感器具有較好的線性度，薄膜在壓力作用下需處于小變形狀態(tài)下[6]。根據(jù)小撓度理論，在均布?jí)毫ψ饔孟路叫伪∧さ淖畲髶隙萕max計(jì)算方法為

(2)

式中，E為楊氏模量，單晶硅材料的楊氏模量為180 GPa；ν為泊松比，單晶硅材料的泊松比為0.28。此外，根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，薄膜最大應(yīng)力應(yīng)不大于單晶硅材料屈服應(yīng)力的30%。方形薄膜的最大應(yīng)力計(jì)算方法為

(3)

式中，σm為屈服應(yīng)力，單晶硅的屈服應(yīng)力為2.0 GPa。

根據(jù)式(1)～式(3)中可得出方形薄膜邊長(zhǎng)與厚度的比值a/h的范圍為13.6～43.7。綜合考慮傳感器的靈敏度和線性度的要求，并在制作工藝條件滿足的情況下，盡量減小傳感器的整體尺寸。最終將傳感器方形薄膜的尺寸確定為：邊長(zhǎng)a=400 μm，厚度h=15 μm。

1.2.2 壓敏電阻結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

壓敏電阻形狀一般采用窄條形結(jié)構(gòu)，為了降低壓敏電阻自身的發(fā)熱量，單位面積功耗Pc(計(jì)算方法見式(4))需控制在5×10-5W/μm2以下[7]。

(4)

式中，I為恒流源電流(此處電流為1 mA)；Rp為壓敏電阻阻值；W、L分別為條形壓敏電阻寬度和長(zhǎng)度；Rs為方塊電阻。

為盡量降低溫度變化對(duì)壓敏電阻的影響，并綜合考慮摻雜濃度對(duì)壓阻系數(shù)的影響，最終確定壓敏電阻區(qū)域的摻雜濃度為8×1018cm-3。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定得到，在該摻雜濃度下，方塊電阻Rs約為200 Ω。根據(jù)式(4)可以計(jì)算出，條形壓敏電阻的寬度需大于7 μm。因此，將壓敏電阻條寬設(shè)計(jì)為8 μm，壓敏電阻的阻值Rp一般設(shè)計(jì)為5 kΩ，結(jié)合方塊電阻值計(jì)算得到壓敏電阻條長(zhǎng)度為200 μm。

1.2.3 壓敏電阻及內(nèi)部連接電路布局方案設(shè)計(jì)

為了提高壓力傳感器靈敏度，壓敏電阻布置在晶面為(100)，晶向?yàn)?110>的N型硅基底上，并使壓敏電阻盡可能地布置在最大應(yīng)力區(qū)域(即薄膜邊緣中心區(qū)域)[8]，將壓敏電阻設(shè)計(jì)為5折，每折的長(zhǎng)度為40 μm。此外，為減小壓敏電阻拐角處負(fù)阻效應(yīng)的影響，對(duì)拐角處區(qū)域加寬，并進(jìn)行重?fù)诫s。由于濃硼擴(kuò)散會(huì)使硅表面變得不平整，為了使密閉壓力腔中的電信號(hào)與外界形成良好的電連接，又不破壞壓力腔的密封性，在薄膜邊緣設(shè)計(jì)了過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)域使用離子注入代替濃硼擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)電連接。其他用于電信號(hào)引出區(qū)域?qū)⑦M(jìn)行濃硼擴(kuò)散，使擴(kuò)散區(qū)域電阻率降低，用于制作連接導(dǎo)線和歐姆接觸的連接錨點(diǎn)。壓敏電阻及內(nèi)部連接電路在方形薄膜上的布局如圖2所示。

圖2 壓敏電阻及內(nèi)部連接電路在方形薄膜上的布局圖

2 傳感器芯片的制作工藝

2.1 材料的選擇

傳感器芯片制作材料的選擇是影響傳感器各項(xiàng)性能的重要因素之一。由于在相同摻雜濃度下，P型硅的壓阻系數(shù)比N型的高，而溫度系數(shù)比N型的小，所以選用P型摻雜來(lái)制作壓敏電阻[8]?？紤]到壓敏電阻需與襯底形成PN結(jié)隔離，因此壓敏薄膜材料選用N型單晶硅。為了簡(jiǎn)化工藝流程，選擇絕緣體上硅晶片(SOI)來(lái)制作壓敏薄膜，將SOI中的掩埋氧化層作為濕法腐蝕自停止層，從而實(shí)現(xiàn)敏感薄膜厚度的精確控制。SOI硅片具體參數(shù)為：器件層(Si)的厚度為15 μm；絕緣層(SiO2)的厚度為1.5 μm；支撐層(Si)的厚度為380 μm，N型4 in晶片，晶面為100。

考慮到傳感器通常工作溫度范圍為-40～125 ℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)Pyrex7740玻璃與硅的熱匹配性良好，并且Pyrex7740玻璃與硅片的陽(yáng)極鍵合比硅硅鍵合更容易實(shí)現(xiàn)[9]。因此選擇Pyrex7740玻璃作為制作壓力腔的基底材料來(lái)。

2.2 制作工藝流程

傳感器芯片的制備工藝流程主要分為4個(gè)步驟。

① SOI硅片上壓敏電阻及連接電路的制作(見圖3(a))。首先利用熱氧化法在SOI硅片制備一層厚度約為800 nm的SiO2，通過(guò)光刻和濕法腐蝕去除重?fù)诫s區(qū)域氧化層，利用保留下來(lái)的SiO2作為遮擋層，對(duì)重?fù)诫s區(qū)域進(jìn)行濃硼擴(kuò)散，使擴(kuò)散區(qū)域電阻率降低，用于制作連接導(dǎo)線和歐姆接觸的連接錨點(diǎn)；然后利用鋁作為遮擋層，采用離子注入技術(shù)對(duì)壓敏電阻區(qū)域注入硼離子，形成阻值約為5 kΩ的電阻條；最后通過(guò)磁控濺射技術(shù)和剝離工藝在重?fù)诫s區(qū)域制作鋁電極，在氮?dú)夥諊薪?jīng)過(guò)退火處理使鋁電極與重?fù)诫s區(qū)域形成良好的歐姆接觸，從而將壓敏電阻信號(hào)引出。

② Pyrex7740玻璃上壓力腔及連接電路的制作(見圖3(b))。首先在玻璃基片上濺射厚度約為200 nm的金屬鉻，通過(guò)光刻和腐蝕工藝打開400×400的方形窗口，利用金屬鉻和光刻膠作為阻擋層，在緩沖氧化物刻蝕液(BOE溶液)腐蝕出深度約為5 μm的壓力腔；再利用光刻膠作為阻擋層，在玻璃基底上鋁電極區(qū)域腐蝕出深度約為200 nm的凹槽；然后在凹槽中濺射鋁，制作成鋁電極。

③ SOI硅片與Pyrex7740玻璃的陽(yáng)極鍵合(見圖3(c))。首先將SOI硅片和Pyrex7740玻璃用丙酮和酒精清洗干凈并吹干；然后將SOI硅片和Pyrex7740玻璃片分別固定在鍵合機(jī)的陽(yáng)極和陰極，使制作有鋁電極的兩個(gè)面對(duì)準(zhǔn)并貼合在一起；最后在陽(yáng)極和陰極之間施加一定的溫度、壓力和高電壓等外部條件，使硅/玻璃界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成Si-O-Si鍵，實(shí)現(xiàn)硅/玻璃的良好封接。

④ SOI硅片減薄與焊盤的制作(見圖3(d))。首先用KOH溶液腐蝕SOI硅片的支撐層，由于KOH溶液幾乎不腐蝕SiO2，因此利用SOI硅片中的掩埋絕緣層作為濕法腐蝕自停止層，通過(guò)腐蝕減薄后SOI硅片只剩下15 μm厚的硅薄膜和1.5 μm厚的SiO2層；然后用SiO2做遮擋層，干法刻蝕SOI器件層Si，以鋁為干法刻蝕自停止層，暴露出鋁電極窗口；最后在鋁電極窗口和芯片上表面濺射金屬鎳和金，通過(guò)光刻和剝離工藝在芯片上表面形成兩個(gè)大焊盤，通過(guò)鋁-鎳-金的連接成功將隱藏在密閉壓力腔中的壓敏電阻信號(hào)引到兩個(gè)大焊盤上。

圖3 制作工藝流程圖

壓力傳感器芯片制作工藝實(shí)物如圖4所示，圖4(a)為重?fù)诫s區(qū)域濃硼擴(kuò)散后效果圖，圖4(b)為壓敏電子區(qū)域光刻后的效果圖，圖4(c)為在SOI重?fù)诫s區(qū)域制作的鋁電極，圖4(d)為在玻璃基底上制作的鋁電極。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

在專用測(cè)試設(shè)備上對(duì)制作完成的絕壓傳感器芯片性能進(jìn)行了測(cè)試，在沒(méi)有任何補(bǔ)償及后處理電路的情況下，給壓力傳感器芯片通上1 mA的恒流源。通過(guò)加壓泵給壓力傳感器加壓，并采用高精度壓力傳感器測(cè)量所施加的壓力，通過(guò)高精度電壓采集設(shè)備測(cè)量壓力傳感器輸出電壓。壓力施加范圍從100～700 kPa，每隔50 kPa記錄一次數(shù)據(jù)。壓力傳感器芯片在不同溫度條件下的輸出特性如圖5所示。

圖4 壓力傳感器制作工藝實(shí)物圖

圖5 不同溫度下輸出電壓與施加壓力的關(guān)系圖

從圖5中看以看出，壓力與輸出電壓之間具有良好的線性關(guān)系，不同溫度下的非線性度均小于0.3%。但由于受溫度的影響，傳感器在不同溫度下的輸出特性曲線存在較大差異。并且傳感器會(huì)產(chǎn)生靈敏度溫度漂移，不同溫度條件下，傳感器的靈敏度如表1所示。

表1 不同溫度下的靈敏度

從表1可以看出，傳感器的靈敏度隨著溫度的升高而逐漸降低。因此，需在不同溫度下對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)合曲線擬合補(bǔ)償算法對(duì)傳感器的溫度影響進(jìn)行修正。在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量氣流中的壓力和溫度值，利用溫度測(cè)量值對(duì)壓力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，從而進(jìn)一步提高壓力檢測(cè)精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足壓力探針與MEMS壓力傳感器一體化集成設(shè)計(jì)的需求，提出了一種單電阻貼片式MEMS壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，解決了一體化壓力傳感器在惡劣環(huán)境下小型化和可靠性的問(wèn)題。

根據(jù)傳感器的靈敏度、線性度以及強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)了傳感器芯片的結(jié)構(gòu)尺寸，并通過(guò)MEMS工藝技術(shù)完成了壓力傳感器芯片的制作，單個(gè)成品器件的整體尺寸為1.5 mm×1 mm×0.5 mm。性能測(cè)試結(jié)果表明：在25～125 ℃溫度范圍內(nèi)，非線性度小于0.3%，靈敏度優(yōu)于106 mV·mA-1·MPa-1。