基于SOI的E型膜結(jié)構(gòu)耐高溫壓力芯片的設(shè)計與制造

李 闖，趙立波，王尊敬，張 磊，殷 振

(1.蘇州長風(fēng)航空電子有限公司傳感器事業(yè)部，江蘇蘇州 215151；2.西安交通大學(xué)機械學(xué)院，陜西西安 710049；3.蘇州科技大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇蘇州 215009)

0 引言

在航空發(fā)動機測試領(lǐng)域，壓力傳感器主要安裝在發(fā)動機附件機匣、燃滑油管路、控制器及泵調(diào)節(jié)器上，用于發(fā)動機各截面、燃滑油、液壓系統(tǒng)等環(huán)境下的壓力測量，通過監(jiān)測發(fā)動機主要部件的壓力參數(shù)及其變化，將信號輸送給控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對發(fā)動機的健康評估、故障預(yù)測和診斷[1]。然而，隨著大涵道比、大推力航空發(fā)動機研制任務(wù)的開展，對于400 ℃環(huán)境下的高溫壓力傳感器探頭提出了實際的需求，因此單晶硅的PN結(jié)隔離、薄膜隔離充油封裝等傳統(tǒng)工藝已無法滿足目前航空發(fā)動機對于高溫使用環(huán)境的要求[2-4]。

對于傳統(tǒng)C型膜壓力芯片而言，傳感器靈敏度低和非線性誤差大是影響傳感器精確測量的2個最主要問題。其原因在于靈敏度正比于芯片的膜厚比，線性度反比于膜厚比的4次方[5]。單純的增加可動膜片的長度或者減少厚度，很難同時提高傳感器的靈敏度和線性度[6]。因此，通過設(shè)計E型可動膜片并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)對于提高傳感器的靈敏度和線性度具有很大幫助。

為了解決上述問題，本文研制了一種基于SOI的E型膜結(jié)構(gòu)耐高溫壓力芯片，同時為減小傳感器的體積和質(zhì)量，設(shè)計了無引線倒封裝的SOI壓阻式壓力傳感器芯片，避免了金絲鍵合和充油封裝帶來的體積增大問題。無引線倒封裝傳感器在400 ℃下進行性能測試，結(jié)果表明該傳感器性能優(yōu)良，可以用于400 ℃以下高溫壓力的測量，同時具有較小的體積和質(zhì)量。

1 理論基礎(chǔ)

硅壓阻壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的。當(dāng)傳感器安裝在發(fā)動機上時，其測試端頭應(yīng)處于密封狀態(tài)。該傳感器的核心部分是壓力芯片的可動膜片，在膜片特定方向上擴散4個等值的半導(dǎo)體電阻，即R1、R2、R3、R4，并連成惠斯登電橋。當(dāng)膜片受到外界壓力作用，電橋失去平衡，若對電橋加以激勵電源(恒流或恒壓)，便可得到與被測壓力成正比的輸出電壓，傳感器即根據(jù)此原理測量被測結(jié)構(gòu)的壓力特性[7-8]。

對于惠斯登電橋，需在R1和R3之間外加激勵電源。恒流源供電可避免溫度變化對電橋輸出的影響，但對傳感器精度影響較大；恒壓源供電無法消除溫度的影響，但具有減小零點溫度漂移和提高精度的優(yōu)點，同時可以多個傳感器共用一個電源，簡化電路，減小成本[9-10]，本文選用恒壓源供電。

對于恒壓源惠斯登電橋的輸出電壓為

(1)

傳感器的靈敏度表達式為

(2)

式中：Uout為輸出電壓；Uin為輸入電壓；Uout(pmax)為滿量程電壓；Uout(p0)為零點輸出電壓；R1，R2，R3，R4為4個壓敏電阻的阻值；pmax為滿量程壓力；p0為零點壓力。

在無壓力作用時，4個壓敏電阻R1=R2=R3=R4=R，零點輸出電壓的理論值為0。當(dāng)有壓力作用時，可動膜片發(fā)生變形，使得4個電阻的阻值發(fā)生變化，其中R1、R3減小，R2、R4增大，假設(shè)電阻的變化量|ΔR|相等，則輸出電壓可轉(zhuǎn)化為

1、進一步完善最密切聯(lián)系原則理論體系，使其能更好地適應(yīng)中國的國際私法實踐。由于各國的國情和社會制度各不相同，導(dǎo)致了各國的國際私法體系也不盡相同。對于中國而言，我國的國際私法體系尚處于起步階段，理論構(gòu)建不甚完備，且?guī)в兄袊厣鐣髁x法治理論的色彩，在立法和司法中不可避免的與行政法、民法、刑法等其他實體法或是程序法相互影響交融，雖然是國際私法，但仍保留了以國家利益和社會利益為本位的立法思想。所以，如何將國際上先進科學(xué)的國際私法理論與我國實際國情相結(jié)合是十分重要的議題。與此同時，我國學(xué)者也要積極自主構(gòu)建適于我國司法實踐的最密切聯(lián)系原則的適用方法，使其理論構(gòu)建更加完備。

(3)

式中：πl(wèi)為縱向壓阻系數(shù)；πt為橫向壓阻系數(shù)；σl為材料的縱向應(yīng)力；σt為材料的橫向應(yīng)力。

為了獲得較高的靈敏度，本文選用P型硅材料沿(100)晶面的〈110〉晶向排布制作壓阻。此時壓阻系數(shù)可以表達為

(4)

(5)

式中：π11和π12為正應(yīng)力系數(shù)；π44為剪應(yīng)力系數(shù)。

則惠斯登電橋的輸出電壓可表達為

(6)

由式(6)可知，輸出電壓Uout正比于應(yīng)力變化(σl-σt)，則靈敏度S亦正比于應(yīng)力變化(σl-σt)。

非線性誤差體現(xiàn)的是壓力傳感器輸出的線性程度，如圖1所示。其定義為

(7)

式中:PNL為非線性誤差值；ΔUmax為實際輸出與理論輸出的最大偏差值；Uom為滿量程輸出。

圖1 非線性誤差定義圖

非線性誤差主要源于兩個方面。一方面為過載導(dǎo)致的力敏薄膜失效，從根本上破壞了壓阻效應(yīng)的線性輸出；另一方面為力敏薄膜發(fā)生過分形變，即薄膜的變形量超過了膜厚的1/5，導(dǎo)致小變形理論失效，從而使得線性輸出向非線性輸出轉(zhuǎn)變[11]。

2 芯片設(shè)計

2.1 SOI結(jié)構(gòu)

SOI晶圓是利用傳統(tǒng)的鍵合和氧離子注入相結(jié)合的方式制備的材料，具體為在硅材料中注入離子，產(chǎn)生一個分布均勻的離子注入層SiO2，該注入層用來充當(dāng)化學(xué)腐蝕阻擋層，同時SiO2絕緣層還具有良好的絕緣性，以此來提高壓力傳感器在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性[13]。

(a)PN結(jié)隔離壓力芯片

(b)SiO2隔離壓力芯片圖2 PN結(jié)隔離和SiO2隔離壓力芯片比較

2.2 芯片尺寸

本文設(shè)計的壓力傳感器量程為0～1.5 MPa，靈敏度優(yōu)于10 mV/V，非線性誤差小于0.2%FS，過載壓力3 MPa。單晶硅的彈性模量E=165 GPa，泊松比ν=0.28，破壞應(yīng)力σm=7×108N/m2?？紤]到實際工作中需要有過載保護，最大允許使用應(yīng)力為0.33σm?？紤]到大量程壓力工況下，E型可動膜片結(jié)構(gòu)有利于同時提高傳感器的靈敏度和線性度，并具有一定的抗過載能力，因此本文設(shè)計了方形E型可動膜片。根據(jù)靈敏度、非線性誤差及最大許用應(yīng)力的需求分析，并結(jié)合小變形理論和過載保護理論[14]，得出下式：

(8)

式中：L為可動膜片邊長；H為可動膜片膜厚；ωmax為可動膜片中心最大撓度；Fmax為最大許用應(yīng)力；pmax為過載壓力；p為作用在芯片上的壓力。

最終得到18.2≤L/H≤40.6。根據(jù)前期設(shè)計經(jīng)驗[15]，并結(jié)合流片工藝，確認(rèn)可動膜片邊長750 μm，膜厚30 μm。

E型可動膜片中心質(zhì)量塊主要的作用在于增加膜片局部厚度，提升局部剛度，從而在不影響應(yīng)力集中的情況下限制可動膜片中心應(yīng)變，有望通過優(yōu)化質(zhì)量塊尺寸達到同步提升傳感器的靈敏度和線性度的目的。根據(jù)理論，中心質(zhì)量塊的邊長一般為可動膜片邊長的2/5[16]，因此中心質(zhì)量塊邊長設(shè)定為300 μm。根據(jù)前期的仿真分析結(jié)果[17]，隨著質(zhì)量塊厚度的增加，可動膜片的綜合應(yīng)力及中心撓度均呈下降趨勢，這意味著傳感器的靈敏度和非線性誤差對于質(zhì)量塊厚度呈現(xiàn)相反的變化趨勢。通過對可動膜片固有頻率的仿真分析，膜片的固有頻率與質(zhì)量塊厚度成正比關(guān)系。因此，通過平衡傳感器的線性度和固有頻率，最終確定中心質(zhì)量塊厚度為120 μm。

考慮到流片工藝以及未來批量化生產(chǎn)要求，確定了壓力芯片的外廓尺寸為2.2 mm×2.2 mm×0.6 mm，芯片上的電極尺寸為0.15 mm×0.15 mm，如圖3所示。壓力芯片接線定義如表1所示。

圖3 壓力芯片感壓面主要尺寸

表1 壓力芯片接線定義

2.3 無引線倒封裝結(jié)構(gòu)

為了提高傳感器的使用溫度并減小傳感器的體積和質(zhì)量，本文設(shè)計了無引線倒封裝結(jié)構(gòu)壓力芯片。在SOI芯片正面制作敏感電阻并連接成惠斯登電橋，芯片背面通過濕法刻蝕形成應(yīng)力敏感膜片；芯片正面與玻璃基座通過靜電封接形成參考壓力腔及應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，并將硅片上復(fù)合耐高溫電極通過BF33玻璃基座上預(yù)制的通孔裸露出來，無引線倒封裝壓力芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無引線倒封裝壓力芯片結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的無引線倒封裝壓力芯片具有體積小、質(zhì)量輕、耐高溫、靈敏度和線性度高等特點。此硅-玻鍵合的無引線倒封裝結(jié)構(gòu)的壓力芯片與金屬殼體通過匹配材料燒結(jié)形成密封支撐結(jié)構(gòu)，密封燒結(jié)材料為玻璃-陶瓷復(fù)合粉體。同時壓力芯片電極與金屬殼體內(nèi)的引腳通過金屬-玻璃復(fù)合粉體燒結(jié)制成，實現(xiàn)壓力芯片信號與金屬引線的電氣連接。金屬引線通過釬焊與外部引線電纜連接，探頭外殼與安裝殼體部分通過激光焊進行連接，在安裝殼體內(nèi)部灌封環(huán)氧樹脂從而進行密封，在金屬外殼上通過機加工形成M5×0.75安裝螺紋，從而實現(xiàn)壓力傳感器的機械接口設(shè)計，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無引線倒封裝傳感器總體結(jié)構(gòu)

3 芯片加工及封裝

選取300 μm厚的SOI作為芯片基底，用去離子水清洗吹干后置于200 ℃的高溫下20 min，在芯片正面進行硼元素擴散，再利用ICP干法刻蝕制備出壓敏電阻，然后利用PECVD在基底上沉積厚度為200 nm的SiO2層，用來保護敏感電阻以及高溫環(huán)境下的漏電流。對歐姆接觸區(qū)進行濃硼摻雜，之后進行高溫退火以減小接觸電阻。通過磁控濺射在基底表面沉積金、鉑、鉻金屬膜，鉻作為鉑與基底之間的黏附層，鉑作為阻擋層，金作為電極連接層，在無引線封裝芯片中起引出電極的作用。三層金屬膜在丙酮溶液中利用超聲波進行處理，經(jīng)去離子水清洗后進行光刻曝光，除去光刻膠后將基底置于金刻蝕劑中，去除引線及接觸孔之外的金層。芯片正面與BF33玻璃在400 ℃高溫下進行氣密封靜電鍵合形成壓力參考腔，將硅片上的電極通過玻璃基座上的預(yù)制孔連接出來，之后進行劃片、封裝及測試，制備好的芯片如圖6所示。

(a)壓力芯片正視圖

(b)壓力芯片側(cè)視圖圖6 無引線倒封裝壓力芯片

無引線倒封裝主要涉及芯片與殼體密封低溫?zé)Y(jié)工藝和芯片電極與外部引線連接工藝。對于芯片與殼體密封低溫?zé)Y(jié)工藝，控制熱機械應(yīng)力是關(guān)鍵。熱機械應(yīng)力由芯片黏合結(jié)構(gòu)中的材料、襯底材料與黏合材料的熱膨脹系數(shù)不匹配而引起，熱應(yīng)力會導(dǎo)致器件在高溫環(huán)境中發(fā)生應(yīng)力釋放并做出異常反應(yīng)，在極端環(huán)境下有可能對連接結(jié)構(gòu)造成永久性機械損傷。因此，在此道工序中控制機械熱應(yīng)力是關(guān)鍵。對于芯片電極與外部引線連接工藝，金屬、玻璃粉的成分、配比、燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)過程的工裝夾具等是此道工序的關(guān)鍵，最后確定含銀粉玻璃與耐高溫多層電極在高溫下燒結(jié)，然后采用緩慢逐級退火的方式進行冷卻，確保芯片電極與外部引線互連。最終無引線倒封裝壓力傳感器實物圖如圖7所示。

圖7 無引線倒封裝傳感器實物圖

4 測試結(jié)果

壓力傳感器測試系統(tǒng)如圖8所示。本測試系統(tǒng)主要由壓力源、壓力控制系統(tǒng)、高低溫箱激勵電源及數(shù)據(jù)采集器組成，供電為10±0.01 VDC電壓。為保證測試的精度和準(zhǔn)確性，需要在傳感器螺紋末端安裝定制規(guī)格的紫銅墊片進行密封。加壓和降壓過程必須等壓力顯示穩(wěn)定后(壓力波動范圍在±0.1%)，再進行輸出電壓的讀取。在0～1.5 MPa范圍內(nèi)選取6個測試點，共進行3次正行程(加壓)和負(fù)行程(降壓)循環(huán)，對于壓力傳感器高溫性能測試，將烘箱溫度設(shè)置為400 ℃，溫度恒定后保溫10 min，確保樣件受熱均勻后再進行數(shù)據(jù)采集，測試結(jié)果如表2所示。

圖8 壓力傳感器測試示意圖

表2 傳感器400 ℃下輸出特性

傳感器在400 ℃下靈敏度為80 mV/MPa，線性度0.17%FS，遲滯0.01%FS，重復(fù)性0.05%FS，綜合精度0.18%FS。此外，傳感器最大外廓尺寸為S10 mm×20 mm，傳感器質(zhì)量為15.5 g。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于SOI材料的E型膜結(jié)構(gòu)硅壓阻式壓力芯片，并通過無引線倒封裝工藝制成了壓力傳感器。測試結(jié)果表明，該傳感器具有較寬的使用溫度范圍和較高的測試精度，同時傳感器還具有體積小、質(zhì)量輕的特點，在進行溫度補償和配備高溫信號處理電路后可在航空發(fā)動機測試領(lǐng)域中應(yīng)用。