基于全硅工藝的硅諧振壓力傳感器設(shè)計與制備

李 亨, 王淞立, 趙 虎, 申建武, 黃嘉珊, 張 龍

(西安思微傳感科技有限公司，陜西 西安 710000)

硅諧振壓力傳感器是一種MEMS壓力傳感器，也是目前精度最高的壓力傳感器，其綜合精度通常優(yōu)于±0.02%F.S.，在航空航天大氣數(shù)據(jù)測量、氣象監(jiān)測和壓力計量領(lǐng)域均有廣泛應用。

硅諧振壓力傳感器通過其內(nèi)部諧振子諧振頻率的變化反映外部壓力的變化。當傳感器外部壓力發(fā)生變化時，其敏感膜發(fā)生形變，敏感膜的形變通過凸臺傳遞給諧振子，進而改變諧振子的剛度。當諧振子剛度變化時，其諧振頻率也發(fā)生變化。

國外研究機構(gòu)在研究硅諧振壓力傳感器方面起步較早，20世紀80年代就已經(jīng)開展了相關(guān)技術(shù)的研究[1]。目前，英國Druck公司、法國Thales公司和日本YOKOGAWA株式會社三家公司均已實現(xiàn)硅諧振壓力傳感器的商業(yè)化應用。

20世紀80年代，英國Druck公司的Greenwood等[2]利用濃硼自停止工藝開發(fā)出Druck公司的第一代產(chǎn)品RPT系列，其綜合精度優(yōu)于±0.02%F.S.。2009年，Druck公司的Kinnell等[3]完成第二代產(chǎn)品RPS8000系列的開發(fā)，其綜合精度優(yōu)于±0.01%F.S.。1995年，法國Thales公司的Mandle等[4]研制出P90系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品在航空領(lǐng)域獲得廣泛應用，其綜合精度優(yōu)于±0.01%F.S.。20世紀80年代，日本YOKOGAWA株式會社的Harada等[5]利用自對準選擇性外延生長和選擇性刻蝕技術(shù)開發(fā)出EJA/EJX系列產(chǎn)品[5]，其精度分布于±0.04%F.S.至±0.065%F.S.之間。

上述三家企業(yè)中，Druck公司和Thales公司的產(chǎn)品均為絕壓壓力傳感器，綜合精度達到±0.01%F.S.等級。YOKOGAWA株式會社的產(chǎn)品包括絕壓壓力變送器和差壓壓力變送器，其中差壓壓力變送器產(chǎn)品在該細分領(lǐng)域為最高精度產(chǎn)品。

進入21世紀，國內(nèi)研究機構(gòu)如中科院電子所[6]、西北工業(yè)大學[7]、北京航空航天大學[8]、廈門大學[9]等科研機構(gòu)相繼開展了硅諧振壓力傳感器相關(guān)技術(shù)的研究，均取得一進科研成果。

國內(nèi)研究機構(gòu)制備硅諧振壓力傳感器多采用硅-玻璃工藝，國外多采用全硅工藝。采用硅-玻璃工藝制造的硅諧振壓力傳感器容易受到因材料不匹配帶來的各項干擾，包括溫度系數(shù)不單調(diào)、遲滯大和殘余熱應力的問題：① 當溫度系數(shù)不單調(diào)或遲滯大時，會影響曲線擬合精度，且對傳感器一致性帶來影響；② 當存在殘余熱應力時，熱應力的釋放會影響傳感器長期穩(wěn)定性。

以上問題主要存在于基于硅-玻璃工藝制造的硅諧振壓力傳感器中，導致傳感器綜合精度的提升受到限制。為解決硅-玻璃工藝產(chǎn)生的各種問題，提出采用全硅工藝制備硅諧振壓力傳感器。

全硅工藝的硅諧振壓力傳感器表芯部分采用“硅-硅-硅-玻璃”四層結(jié)構(gòu)設(shè)計，最頂層為電極層，第二層為結(jié)構(gòu)層，第三層為密封層，上面三層之間通過晶圓級硅-硅鍵合工藝連接，內(nèi)部形成真空腔體，有利于減小諧振子工作阻尼。傳感器表芯中工作部分的三層結(jié)構(gòu)均采用單晶硅材料。

全硅工藝能夠有效抑制因材料不匹配造成的各項干擾，提升硅諧振壓力傳感器綜合精度。

1 硅諧振壓力傳感器設(shè)計

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)與諧振方案設(shè)計

硅諧振壓力傳感器的工作模態(tài)通常有面內(nèi)振動和面外振動之分，面外振動的工作模態(tài)會導致諧振子振動能量通過硅島向敏感膜傳遞，從而降低諧振子的品質(zhì)因子Q。面內(nèi)振動的工作模態(tài)分為同相模態(tài)和反向模態(tài)。采用同相模態(tài)時，諧振結(jié)構(gòu)的重心會隨著振動而改變，使硅島上受到的力矩總和不為零，振動能量產(chǎn)生耗散，諧振子的品質(zhì)因子Q也會因此降低；當采用反相模態(tài)時，諧振結(jié)構(gòu)有固定的振動重心，作用在硅島上的力矩總和為零，根據(jù)文獻[3]，諧振子的品質(zhì)因子可因此至少提高一倍。當諧振子工作模態(tài)采用反相模態(tài)，能降低周圍環(huán)境振動對傳感器的耦合，有利于提升傳感器的頻率分辨率，此類結(jié)構(gòu)最典型的設(shè)計為雙端音叉諧振器(Double-Ended Tuning Fork Resonator,DETF Resonator)。

表芯中諧振子采用DETF結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)由諧振梁、質(zhì)量塊和梳齒等組成，如圖1所示。諧振梁在靜電力的作用下沿著平行于敏感膜的方向振動，動齒和定齒之間因振動產(chǎn)生位移變化，進而導致電容發(fā)生變化。當諧振子在工作模態(tài)下工作時，動齒和定齒間電容變化的頻率與諧振頻率相同。諧振子工作模態(tài)頻率可通過式(1)計算[10]:

圖1 DETF諧振結(jié)構(gòu)

(1)

式中：σ為諧振梁軸向應力;σcr為諧振梁彎曲應力;wr、lr和hr分別為諧振梁的寬度、長度和厚度；ws、ls和hs分別為耦合梁的寬度、長度和厚度；mmass+0.3714mr+0.3714ms為諧振子的等效質(zhì)量，其中mmass為質(zhì)量塊質(zhì)量，mr為諧振梁質(zhì)量，ms為耦合梁質(zhì)量。

硅諧振壓力傳感器表芯部分的截面如圖2所示，當有壓力作用在敏感膜上時，敏感膜發(fā)生形變，形變經(jīng)過硅島放大后傳遞給諧振梁，使其軸向受到應力，改變諧振梁剛度，進而改變諧振頻率。表芯部分采用單敏感膜-雙諧振梁耦合的結(jié)構(gòu)方案，該方案有利于壓縮尺寸和批量化制造。耦合梁的設(shè)計不僅能夠減小諧振時振動能量對敏感膜層的傳遞，提高諧振子的品質(zhì)因子Q，還可增加工作模態(tài)與相鄰模態(tài)之間的頻率間隔，使諧振子工作更加穩(wěn)定。

圖2 壓力傳感器芯片截面圖

1.2 諧振子參數(shù)詳細設(shè)計

諧振子采用靜電激勵、電容檢測的工作方式，該工作方式具有振動線性度高、工藝實現(xiàn)簡單的優(yōu)點。平行梳齒靜電驅(qū)動器如圖3所示，該結(jié)構(gòu)通過相互平行的直齒嚙合而成，通過變面積的方式實現(xiàn)動齒和定齒間電容變化。

圖3 平行梳齒靜電驅(qū)動器

梳齒電容由齒與齒之間重疊部分產(chǎn)生的電容和齒端面與側(cè)壁之間重疊部分產(chǎn)生的電容組成，其總電容由式(2)求得：

(2)

式中:Ccomb為梳齒總電容；Cg為梳齒交疊面電容；Cf為梳齒端面電容；n為動齒數(shù)；ε為介電常數(shù)；c為梳齒交疊面長度；h為梳齒厚度；g為梳齒交疊面間隙；w為梳齒寬度；a為梳齒端面間隙。

式(2)中的各項參數(shù)如圖3所示，當動齒發(fā)生位移時，定齒與動齒間總電容的變化量可由式(3)計算。

(3)

當定齒與動齒間存在電壓時，其靜電力為

(4)

式中：Fcomb為驅(qū)動力；x為梳齒位移；U為驅(qū)動電壓。

由式(4)可知，梳齒電容產(chǎn)生的靜電力由兩部分組成，一部分由電容Cg產(chǎn)生，該項靜電力與位移無關(guān)；另一部分由電容Cf產(chǎn)生，該項靜電力與位移形成非線性關(guān)系。

在硅諧振壓力傳感器表芯部分的設(shè)計中，需要綜合考慮諧振子剛度與驅(qū)動力的大小，使諧振子工作模態(tài)的振幅在合適的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)在獲得足夠檢測信噪比的同時產(chǎn)生較低的非線性。當諧振子工作模態(tài)的振幅被限定在齒間重疊長度的三分之二及諧振梁長度的1%以內(nèi)時，可以有效地避免諧振梁在幅頻響應的非線性區(qū)內(nèi)振動。

通過優(yōu)化設(shè)計，芯片結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 芯片設(shè)計參數(shù)表

1.3 模態(tài)分析與靈敏度分析

利用COMSOL有限元仿真軟件對芯片模態(tài)以及靈敏度進行分析，芯片各階模態(tài)振型及頻率如圖4所示，工作模態(tài)基礎(chǔ)頻率為35640 Hz，工作模態(tài)頻率與相鄰模態(tài)頻率間隔較大，可有效避免工作模態(tài)的串擾問題。

圖4 各階模態(tài)振型及頻率

當有壓力作用時，各階模態(tài)固有頻率發(fā)生改變，各階模態(tài)頻率隨壓力的變化如圖4所示。壓力、頻率變化值如圖5所示。

圖5 壓力、頻率變化值

由圖5可知，在全量程壓力范圍內(nèi)，各階模態(tài)頻率不存在數(shù)值交叉的情況，同時傳感器的靈敏度為13.5 Hz/kPa。

2 硅諧振壓力傳感器制備工藝

硅諧振壓力傳感器采用頻率信號作為輸出，其諧振子諧振頻率的穩(wěn)定性決定了傳感器的性能。環(huán)境溫度影響諧振子諧振頻率的因素主要有：① 材料楊氏模量溫度系數(shù)——硅材料楊氏模量存在負溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)為-64.73 ppm/K[11]。當環(huán)境溫度變化時，楊氏模量會發(fā)生變化，諧振頻率也會隨之發(fā)生改變。② 熱應力——硅諧振壓力傳感器上存在不同材料，其熱膨脹系數(shù)存在差異。環(huán)境溫度變化時，不同材料間會產(chǎn)生熱應力，導致諧振子諧振頻率發(fā)生變化。

相對于材料楊氏模量溫度系數(shù)，由材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應力對傳感器頻率輸出的影響占主導地位。傳統(tǒng)的硅-玻璃結(jié)構(gòu)芯片由于硅材料與玻璃材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，環(huán)境溫度變化時，諧振子產(chǎn)生較大的熱應力，導致傳感器的輸出頻率會隨溫度存在較大漂移。而基于全硅工藝的硅諧振壓力傳感器采用“硅-硅-硅-玻璃”四層結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳感器表芯中工作部分的三層結(jié)構(gòu)均采用單晶硅材料，在環(huán)境溫度變化時，諧振子上的熱應力較小，傳感器的輸出頻率也較為穩(wěn)定。

全硅工藝采用晶圓級硅-硅鍵合作為整體工藝方案，在電極層形成膜結(jié)構(gòu)和硅島結(jié)構(gòu)，配合結(jié)構(gòu)層的諧振子實現(xiàn)基本功能，其主要工藝流程如圖6所示。

基于全硅工藝的硅諧振壓力傳感器為三明治結(jié)構(gòu)，其工藝步驟如下。

① 如圖6(a)所示，對硅片進行標準清洗，甩干，在硅片表面生長Si3N4。

② 如圖6(b)所示，在硅的正反兩面進行Si3N4的圖形化。完成刻蝕掩膜制備后，對硅片進行刻蝕，完成成形工藝。

圖6 主要工藝流程圖

③ 如圖6(c)所示，去除Si3N4，對硅片進行清洗，在硅片表面生長SiO2層，完成敏感膜層的制作。

④ 如圖6(d)所示，將敏感膜層與另一個硅片用硅-硅鍵合工藝鍵合在一起，進行減薄處理。

⑤ 如圖6(e)所示。使用深干法刻蝕工藝形成結(jié)構(gòu)層。深干法刻蝕工藝可能會出現(xiàn)“長草”等問題，如圖7所示，左圖為正常的深干法刻蝕形貌，而右圖則是在鈍化過程嚴重時產(chǎn)生的“長草”現(xiàn)象。

圖7 干法刻蝕圖及“長草”示意圖

⑥ 如圖6(f)所示，將密封層與結(jié)構(gòu)層再次進行晶圓級硅-硅真空低溫鍵合，完成對腔體的密封。

⑦ 圖6(g)所示，刻蝕電極層形成敏感膜，芯片局部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 芯片局部結(jié)構(gòu)示意圖

此外，低溫硅-硅鍵合工藝還可以大幅度降低圓片翹曲，提高芯片的成活率。

3 全溫標定與測試結(jié)果

硅諧振壓力傳感器綜合精度測試包括全溫標定和精度測試兩個步驟。全溫標定是用來求解系數(shù)的過程，硅諧振壓力傳感器輸出的方波頻率為模擬量，無法直接表征壓力值，通過全溫標定形成方波頻率與壓力值的對應關(guān)系。全溫標定過程中選取用于標定的溫度點和壓力點，當測試條件滿足時，記錄標準壓力、溫度頻率和壓力頻率數(shù)據(jù)，用高階多項式模型擬合出其關(guān)系，通過最小二乘法解算為系數(shù)，用于實測壓力值計算。全溫標定過程中選取的溫度點如表2所示，壓力點如表3所示。

表2 標定溫度點

表3 標定壓力點

完成全溫標定后，開始精度測試，精度測試過程中選取的壓力點同表3所示，溫度點如表4所示。

表4 測試溫度點

根據(jù)全溫標定步驟解算出的系數(shù)對精度測試過程中采集到的數(shù)據(jù)進行計算可得實測壓力值，其計算公式為

(5)

其中：

x=(xH-X0_Rd)/Coff_X0_Rd

y=(yT-Y0_Rd)/Coff_Y0_Rd

式中：xH為壓力頻率值；yT為溫度信號值；m為壓力點個數(shù)；n為溫度點個數(shù)；x為壓力計算值；X0_Rd為壓力頻率平均值；Coff_X0_Rd為壓力頻率標準差；y為溫度計算值；Y0_Rd為溫度信號平均值；Coff_Y0_Rd為溫度信號標準差；Pc為實測壓力值；Kij為系數(shù)。

完成壓力值計算后，根據(jù)式(6)計算精度：

(6)

式中：Ui為精度；yFS為滿量程輸出壓力值；Pci為第i個點的實測壓力值；PS為標準壓力值。

綜合精度是表征硅諧振壓力傳感器精度測試過程中最大誤差的指標，經(jīng)計算，被試品最大誤差為0.0037%F.S.，綜合精度優(yōu)于±0.01%F.S.，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 綜合精度測試結(jié)果

壓力遲滯是表征硅諧振壓力傳感器在定溫條件下壓力正反行程差異的指標，經(jīng)計算，被試品最大壓力遲滯為0.0027%F.S.，優(yōu)于±0.003%F.S.，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 壓力遲滯測試結(jié)果

溫度遲滯是表征硅諧振壓力傳感器在定壓條件下溫度升降行程差異的指標，經(jīng)計算，被試品最大溫度遲滯為0.0036%F.S.，溫度遲滯優(yōu)于±0.005%F.S.，測試結(jié)果如表5所示。

表5 溫度遲滯測試結(jié)果

4 結(jié)束語

基于硅-玻璃工藝制備的硅諧振壓力傳感器綜合精度多為±0.02%F.S.水平，達到±0.01%F.S.水平的傳感器比例較低。相比于硅-玻璃工藝，全硅工藝制備硅諧振壓力傳感器的優(yōu)點包括：① 全硅工藝中晶圓級鍵合均為硅-硅鍵合，該工藝極大地克服了因材料不匹配帶來的各項干擾。② 采用全硅工藝制造的硅諧振壓力傳感器溫度系數(shù)單調(diào)，且一致性好，其溫度系數(shù)主要由硅楊氏模量溫度系數(shù)決定。③ 材料種類單一，可以有效消除遲滯、殘余熱應力等問題，最大限度地抑制了影響傳感器綜合精度的各項問題。

測試結(jié)果表明，采用全硅工藝制備的硅諧振壓力傳感器的綜合精度優(yōu)于±0.01%F.S.，且溫度遲滯和壓力遲滯指標分別優(yōu)于±0.005%F.S.和±0.003%F.S.，關(guān)鍵性能指標具備明顯優(yōu)勢。

硅諧振壓力傳感器作為一種高精度壓力傳感器，綜合精度成為評價其最終性能的最關(guān)鍵指標。基于全硅工藝的硅諧振壓力傳感器因其具有更好的綜合精度，在航空大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、地面壓力控制器和氣象測量等方面具有更廣闊的應用前景。