MEMS硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的設(shè)計制作與測試研究*

張加宏,陳劍翔,冒曉莉2,*,李 敏2,,王 銀(1.南京信息工程大學,江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學,江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京 210044;.南京信息工程大學,電子與信息工程學院,南京 210044)

自從1954年Smith提出體硅的壓阻效應(yīng)以來[1],硅基MEMS壓阻式壓力傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療、氣象和航空航天等領(lǐng)域[2-5]。但由于體硅材料本身存在靈敏度較低(硅壓阻應(yīng)變系數(shù)約為100)、溫度漂移嚴重等問題,導致硅基壓阻式壓力傳感器的性能受到了影響。圍繞上述問題目前人們已經(jīng)開展了許多相關(guān)研究[6-15]。例如,為提高壓阻式傳感器的靈敏度,楊培東等人提出了利用表面修飾的硅納米線來實現(xiàn)巨壓阻效應(yīng),他們制作的納米線的壓阻(應(yīng)變)系數(shù)可以比傳統(tǒng)體硅高出兩個數(shù)量級[6]。顯然,巨壓阻效應(yīng)能夠大幅度提高壓力傳感器的靈敏度,盡管如此,巨壓阻效應(yīng)的產(chǎn)生機理很復雜[6-8],與納米線表面狀態(tài)密切相關(guān),因而穩(wěn)定性較差,而且制作巨壓阻傳感結(jié)構(gòu)的工藝要求很高,這導致巨壓阻效應(yīng)目前還很難真正應(yīng)用于壓力傳感器。近些年,Rowe等人的研究結(jié)果表明巨壓阻效應(yīng)也可以通過微米級別的器件來實現(xiàn)[9],利用常規(guī)硅壓阻條和鋁條分流器構(gòu)成金屬半導體混合壓阻器可獲得幾何放大的壓阻效應(yīng)[10-11],其應(yīng)變系數(shù)能達到843,可以顯著提高傳感器的靈敏度。與硅納米線傳感器相比,基于微米量級金屬硅混合結(jié)構(gòu)(硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu))的壓阻傳感器更易通過常規(guī)光刻刻蝕工藝來制備并實現(xiàn)批量生產(chǎn)。值得注意的是,由于硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電阻較小,容易受到環(huán)境溫度影響,因此需要溫度漂移補償。針對傳感器的溫度漂移,目前主要有硬件補償和軟件補償兩種方法,硬件補償通常采用并聯(lián)溫度補償電阻的方式來實現(xiàn),但是由于計算復雜、補償電阻本身也存在溫度漂移等問題,導致補償效果不太理想。軟件補償常用的方法有二維線性回歸分析法、二維插值法、最小二乘支持向量機以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習法等[12-15],這些方法有效地提高了溫度漂移和非線性誤差的補償效果,目前應(yīng)用更為廣泛。

為了成倍提高MEMS壓阻式壓力傳感器的靈敏度,同時有效去除溫度漂移等因素的影響,本文著重設(shè)計和研究了一款基于硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高靈敏度壓力傳感器,首先利用有限元軟件和理論計算對傳感器結(jié)構(gòu)和性能進行設(shè)計分析,然后通過傳統(tǒng)MEMS工藝制作了帶有硬件溫度補償結(jié)構(gòu)的硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器。在實現(xiàn)硬件補償?shù)耐瑫r,最后采用基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對傳感器進行了軟件補償,使其性能得到了較大提升。本文的研究結(jié)果對于研制高靈敏的壓阻式傳感器具有較好的參考價值。

1 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓阻效應(yīng)原理

傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示,它由分布在應(yīng)變薄膜邊緣的4個壓阻條連成的惠斯通電橋構(gòu)成。在應(yīng)力作用下壓阻條電阻或電阻率因壓阻效應(yīng)而發(fā)生變化,其可表示為[10-11]:

(1)

式中:R為初始電阻,ρ為初始電阻率,π為壓阻系數(shù),E為楊氏模量,ε為應(yīng)變,K為應(yīng)變靈敏系數(shù)。

圖1

與傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器工作原理不同,硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)是利用應(yīng)力引起的摻雜硅的各向異性使得電流離開高導電率金屬來實現(xiàn)壓力測量[9],硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)和圖1(c)所示,本文設(shè)計的硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器芯片包括一對硅鋁異質(zhì)壓力傳感結(jié)構(gòu)和一對硅鋁異質(zhì)溫度參考結(jié)構(gòu),兩者的材料和結(jié)構(gòu)形式相同,每個單獨的硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括一根硅壓阻條和一根金屬鋁條。硅壓阻條連接著4個引出焊盤,其中外側(cè)兩個用于恒流源供電,內(nèi)側(cè)兩個用于輸出電壓的測量。硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)等效電阻可用式(2)表示[10-11]:

(2)

式中:l為內(nèi)側(cè)兩個電壓測量引腳之間距離的一半,L為壓阻條長度的一半,h為壓阻條的厚度,b為壓阻條的寬度,ρl和ρt分別為縱向和橫向電阻率。當外部施加壓力時,硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力σ會改變縱向和橫向電阻率,從而影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的等效電阻,這就是硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓阻效應(yīng)。ρl和ρt具體的表達式如下[10]:

ρl=ρ0(1+πl(wèi)σ)

(3)

ρt=ρ0(1+πtσ)

(4)

式中:πl(wèi)和πt分別為縱向和橫向壓阻系數(shù),πl(wèi)=-πt[16-17]。與傳感器靈敏度相關(guān)的放大因子SG可表示為[10-11]:

(5)

正如前面所提及的,位于硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片壓力敏感薄膜內(nèi)側(cè)的傳感結(jié)構(gòu)用于測量外部壓力變化,而位于壓力敏感薄膜外側(cè)的參考結(jié)構(gòu)基本不受外部壓力的影響,它們主要用于消除溫度漂移誤差。理想情況下,因為4個硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)形狀大小一致并且其所在的溫度環(huán)境相同,所以在相同的恒流源供電和溫度條件下,無壓力的初始輸出都應(yīng)為U0+ΔUT,其中ΔUT是由于溫度引起的輸出變化。當施加外部壓力P時,傳感結(jié)構(gòu)輸出電壓為Uout=U0+ΔUP+ΔUT,由于參考結(jié)構(gòu)不受應(yīng)力影響,其輸出電壓為Uref=U0+ΔUT。將Uout和Uref差分處理可獲得硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器最終輸出電壓為:

U=Uout-Uref=(U0+ΔUP+ΔUT)-(U0+ΔUT)=ΔUP

(6)

由式(6)可以看出,最終壓力傳感器的輸出結(jié)果就是外部壓力變化引起的電壓輸出變化,與溫度變化無關(guān)。理論上通過上述硬件溫度補償?shù)姆绞娇梢砸种茰囟绕普`差。

2 有限元應(yīng)力模擬仿真

為使硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器輸出具有良好的線性度和靈敏度,需要選擇合理的膜片參數(shù)。膜片過薄會導致比較大的非線性誤差,過厚又會導致靈敏度下降[5,17]。考慮到加工工藝的水平,本文設(shè)定膜片厚度為20 μm。在0～1 000 kPa滿量程的情況下,傳感器膜片長度和厚度需滿足式(7)[17]:

(7)

式中:υ為硅的泊松比,E為硅的楊氏模量,P為滿量程壓力,根據(jù)式(7)可以計算得到應(yīng)變膜邊長a≤1 182 μm。本文選取膜邊長為900 μm。由于制作傳感器的SOI晶圓的硅襯底厚度為650 μm,濕法腐蝕角度為57.74°,計算得出C型硅杯窗口的大小為1 792 μm。

為了驗證理論分析的合理性,我們利用ANSYS有限元分析軟件對本文設(shè)計的硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器進行建模與應(yīng)力分析,從而最終確定傳感器的尺寸參數(shù)。有限元模擬仿真所采用的材料的物理屬性如表1所示。

表1 有限元仿真材料參數(shù)

圖2(a)和圖2(b)分別給出了外部施加100 kPa壓力情況下異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器膜片位移云圖和Von Mises應(yīng)力分布云圖。從圖2(a)中可以看出,在應(yīng)力作用下,傳感器最大位移發(fā)生在應(yīng)變薄膜中心,這保證了應(yīng)力對稱分布。在圖2(b)中,最大應(yīng)力分布在應(yīng)變薄膜的4個邊緣中間部位,不難發(fā)現(xiàn),兩個硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)正好位于應(yīng)變薄膜最大應(yīng)力處,而參考結(jié)構(gòu)則位于應(yīng)變薄膜的外側(cè),基本上沒有受到應(yīng)力的影響,有限元仿真結(jié)果驗證了上述理論設(shè)計的合理性。

然后在0～1 000 kPa大量程范圍內(nèi)逐漸改變施加壓力大小,根據(jù)ANSYS有限元模擬仿真的結(jié)果可提取得到傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)的內(nèi)部平均應(yīng)力,內(nèi)部應(yīng)力與外部施加壓力的關(guān)系曲線如圖3(a)所示。由圖3可知隨著外部施加壓力不斷增加,硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)出線性增大趨勢,而參考結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力基本無變化,這與預(yù)期結(jié)果相吻合。在施加1 mA恒流源的條件下,結(jié)合式(2)～式(4)我們可以計算出硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器的等效電阻隨外部壓力變化的理論值,如圖3(b)所示。由圖3(b)可以進一步計算得出常溫下單一傳感結(jié)構(gòu)理論上的靈敏度為0.098 5 mV/(V·kPa),如果兩個傳感結(jié)構(gòu)同時測量,靈敏度將增加一倍。

圖2 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器有限元模擬仿真的結(jié)果

圖3 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的有限元仿真結(jié)果

3 傳感器制作工藝流程

本文采用標準MEMS工藝制作了硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器,無需特殊的工藝和材料。選用的SOI晶圓的單晶硅器件層厚度為1.5 μm、中間二氧化硅層厚度為1 μm、襯底硅厚度為650 μm。具體制作工藝流程如圖4所示。

圖4 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的制作工藝流程示意圖

其主要步驟包括:

步驟1 離子注入 以7°角度和20 keV能量在SOI器件層注入1×1018Dose/cm3的硼離子,然后將SOI硅片放入1 000 ℃退火爐中快速退火30 min以使硼離子均勻分布。

步驟2 熱氧化 將SOI硅片熱氧化形成厚度約為1 μm的二氧化硅鈍化保護層。

步驟3 光刻刻蝕 旋涂光刻膠,利用硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中硅壓阻條結(jié)構(gòu)及其電極引出端的掩膜版進行光刻顯影。然后在SF6/N2的混合氣氛中通過ICP干法刻蝕二氧化硅鈍化層和頂層硅,形成硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的硅壓阻條結(jié)構(gòu)及其電極引出端。接著再對硅壓阻條結(jié)構(gòu)及其電極引出端表面的二氧化硅鈍化層進行光刻刻蝕,形成硅壓阻條與金屬鋁條的接觸孔。

步驟4 濺射鋁 采用ORION-8-UHV薄膜沉積設(shè)備濺射一層厚度均勻的鋁,然后利用掩膜版光刻刻蝕出金屬鋁條、金屬鋁引線和鋁焊盤。

步驟5 腐蝕硅杯 先對硅襯底二氧化硅鈍化保護層進行光刻刻蝕,然后選用溫度80 ℃的TMAH溶液濕法腐蝕底層硅形成C型硅杯,硅杯頂部即為傳感器的應(yīng)變薄膜,尺寸為900 μm×900 μm×20 μm,接著去除底部剩余二氧化硅。

步驟6 陽極鍵合 在300 ℃的真空環(huán)境下,最后利用陽極鍵合技術(shù)將SOI晶圓鍵合到硼硅玻璃基底上,并進行劃片。

圖5(a)給出了硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器芯片的顯微鏡照片,圖5(b)為封裝完成后的傳感器實物圖。整個芯片的面積為3 000 μm×3 000 μm。從圖5 可以看出上下兩個硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)(傳感結(jié)構(gòu))位于傳感器應(yīng)變薄膜內(nèi)側(cè),左右兩個(參考結(jié)構(gòu))處于外側(cè),符合設(shè)計要求。

圖5 硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器芯片實物圖

圖6 標定測試平臺的示意圖

4 實驗及結(jié)果分析

標定測試平臺的示意圖如圖6所示,實驗中采用德國GE-Druck壓力控制器PACE5000作為標準壓力發(fā)生器,其測量精度優(yōu)于±0.03%FS。首先將硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器放入溫度箱,并通過導氣管接通傳感器與壓力控制器。然后分別引出傳感器的測量引線并接入到用于供電的恒流源和用于測量的萬用表。調(diào)節(jié)溫度箱的溫度從-20 ℃變化到60 ℃,在不同的溫度點將壓力從0 kPa變化到1 000 kPa,并且每隔100 kPa作為一個壓力測試點。在1 mA恒流源供電條件下,最后分別記錄下不同溫度和不同壓力時硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)測量引腳的電壓輸出。

圖7給出了不同溫度下硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的輸出曲線。為了與理論分析相對應(yīng),考慮到恒流源供電,這里將輸出電壓變化換算成了電阻變化。由圖7(a)可以看出,不同溫度下硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)的輸出均隨著外部施加壓力升高而單調(diào)遞增,常溫下其初始電阻為32.32 Ω,這與理論計算值基本吻合。當溫度由-20 ℃升高到60 ℃時,傳感結(jié)構(gòu)的初始電阻隨之變小,硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的靈敏度由0.107 2 mV/(V·kPa)變?yōu)?.123 4 mV/(V·kPa)。該結(jié)果表明傳感器性能產(chǎn)生了溫度漂移。為了減小溫度影響,正如前文所述,我們在同一芯片應(yīng)變薄膜外側(cè)設(shè)置了硅鋁異質(zhì)參考結(jié)構(gòu),理論上它對壓力不敏感,而當外界溫度變化時,其阻值也會隨之變化。硅鋁異質(zhì)參考結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果如圖7(b)所示,而由圖7可知,其輸出基本不隨壓力增加而變化,但隨溫度增加而減小,常溫下其初始電阻為30.35 Ω。傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)初始等效電阻存在差異主要是由于制作工藝中的偏差造成的,例如,摻雜濃度不均勻、硅鋁材料本身的缺陷以及光刻刻蝕存在的偏差,這會在一定程度上影響硬件溫度補償?shù)男Ч?/p>

圖7 不同溫度時硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器輸出曲線

將硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)與參考結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果做差分處理,如圖8所示,在硬件溫度補償后,傳感器輸出結(jié)果的溫度漂移問題得到較好的改善,這說明本文設(shè)置參考結(jié)構(gòu)進行溫度補償是有效的。將不同溫度下的電阻差分值ΔR做平均處理,根據(jù)平均值曲線計算可得其靈敏度約為0.116 8 mV/(V·kPa),由于硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器芯片上包含兩個相同的傳感結(jié)構(gòu),因而理論上靈敏度還可以提高一倍,這要明顯大于基于傳統(tǒng)體硅壓阻效應(yīng)的壓力傳感器的靈敏度(0.061 mV/(V·kPa))[18]。

圖8 硬件溫度補償后的結(jié)果

此外,傳感器線性度(非線性誤差)是指在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值ΔLmax與滿量程輸出FYS之比[19],用γL表示,即

(8)

根據(jù)上述非線性誤差公式計算得到傳感器整體非線性誤差為3.56%,由此可知,雖然通過硬件補償削弱了溫度漂移對測量結(jié)果的影響,但傳感器的測量精度還有待提高。下面采用基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-WNN)對硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器的溫度漂移和非線性誤差做進一步的補償。

5 基于遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合處理

基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理為:利用遺傳算法構(gòu)成一個不斷進化的群體序列,根據(jù)特定評價方式獲得全局性基礎(chǔ)解,然后將計算得到的基礎(chǔ)解作為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)進行小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練,省去了小波網(wǎng)絡(luò)的隨機網(wǎng)絡(luò)初始化,使得小波網(wǎng)絡(luò)更易更快速得到問題的最優(yōu)解[4,15]?；谶z傳算法的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖9所示,先對小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值、伸縮因子和平移因子進行隨機初始化編碼,形成遺傳算法的第1代個體,重復操作N次形成一定規(guī)模的初始種族。然后由輸入樣本集經(jīng)前向傳播算法求得N組網(wǎng)絡(luò)權(quán)值對應(yīng)的N個網(wǎng)絡(luò)輸出。本文選用的適應(yīng)度函數(shù)如下:

(9)

式中:M為學習樣本數(shù),e為小波網(wǎng)絡(luò)期望輸出值YK與實際輸出值yK之間的誤差。從式(9)可以看出誤差越大,適應(yīng)度越小。計算每個個體的適應(yīng)度值,淘汰適應(yīng)度較小的值,接著進行交叉變異等操作,重復訓練直到滿足關(guān)系或達到迭代次數(shù)。有關(guān)遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的詳細介紹參見文獻[4,15]。

圖9 基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流程圖

將硬件溫度補償之后的數(shù)據(jù)作為GA-WNN算法的樣本數(shù)據(jù),首先對樣本數(shù)據(jù)進行歸一化處理[4]。然后利用MATLAB建立基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型,對樣本數(shù)據(jù)進行融合處理。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點為2個(等效電阻值與溫度值),隱含層為11個節(jié)點,輸出層為1個節(jié)點(補償后的壓力值)。動量因子為0.01,學習速率為0.001,最大迭代次數(shù)為2 000次。設(shè)定遺傳算法的參數(shù)如下:交叉率為0.75,變異率為0.08,初始化種群規(guī)模為200。在 0～1 000 kPa滿量程范圍內(nèi),硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器經(jīng)過GA-WNN算法處理后的最終預(yù)測輸出和預(yù)測誤差分別如圖10(a)和10(b)所示。

圖10 GA-WNN算法補償結(jié)果

從圖10(a)可以看出每個期望與預(yù)測的輸出均吻合,說明溫度漂移的影響基本消除,傳感器的性能得到了提升。而從圖10(b)不難發(fā)現(xiàn)預(yù)測的絕對誤差最大值不超過 15 kPa,換言之,測量誤差小于±1.5% FS。由此可見經(jīng)過 GA-WNN算法數(shù)據(jù)融合補償之后硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的測量誤差顯著減小,這主要歸因于GA-WNN算法顯著減小了硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器的非線性誤差。根據(jù)圖10(a)中的數(shù)據(jù),利用式(8)可以計算得到補償后不同溫度下整體的非線性誤差為1.36%,這明顯小于補償前的整體非線性誤差3.56%。

6 結(jié)論

本文著重設(shè)計和研究了一種新型的基于硅鋁異質(zhì)傳感結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)的大量程壓力傳感器,首先通過ANSYS有限元仿真對傳感器進行了應(yīng)力和靈敏度仿真,驗證了硅鋁異質(zhì)結(jié)傳感器具有高靈敏度。其次設(shè)計了傳感器的制作工藝流程,并根據(jù)工藝流程和設(shè)計模型制作了硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器芯片。然后利用溫度箱和高精度壓力發(fā)生器對硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器進行實驗測試和標定。主要采用了硬件溫度補償方式和基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對傳感器進行補償。研究結(jié)果表明,GA-WNN算法顯著減小了傳感器的溫度漂移和非線性誤差,提升了傳感器的性能。本文的研究結(jié)果對于高靈敏度傳感器研制具有一定的參考價值。