高温环境下压力参数的测量在航空航天和石油化工等领域有着广泛的百富策略白菜网需求[1]。传统的体硅压阻式压力传感器由于pn结隔离方式的温度限制 (<125℃) , 导致传感器在高温环境下失效[2]。绝缘体上硅 (SOI) 压力传感器采用绝缘介质 (SiO2) 进行电隔离, 弥补了传统硅材料的不足, 是新型高温压力传感器的理想材料之一。SOI压力传感器以底层硅作为支撑结构, 中间绝缘层 (SiO2) 作为压敏电阻的介质隔离层, 顶层硅作为器件层。因其加工手段成熟、成本低、易于实现集成化等特点, 成为当前高温压力传感器的热门研究对象[3]。

为满足众多的百富策略白菜网需求, 对传感器的灵敏度和线性度提出了较高的要求。传统的压阻式压力传感器采用平膜结构, 这种结构制造工艺简单, 但为提高传感器灵敏度需要减薄敏感膜片厚度, 导致传感器的线性区间变窄, 非线性度增加[4]。另外, 使用这种结构布置电阻时, 总会有两个电阻所在的位置应力区间跨度过大, 导致桥臂电阻的阻值变化不一致, 受残余应力影响较大。为解决上述问题, 本文设计了一种基于SOI材料的岛膜结构压阻式压力传感器, 通过在平膜中心处添加硬心区域, 改变敏感膜表面的应力分布, 减小敏感膜的最大挠度, 提高传感器的线性度, 改善芯片的抗过载能力。

SOI压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应将压力信号转换成电信号的一种传感器。在弹性硅膜片上掺杂形成4个等值的压敏电阻, 并连成惠斯通电桥, 作为力-电转换元件。当被测压力介质作用于敏感膜片时, 电桥失去平衡, 输出电压[5]。

图1所示为惠斯通电桥连接示意图。当无压力作用于敏感芯片时, 4个压敏电阻阻值相同 (R1=R2=R3=R4=R) , 电桥无输出电压。当压力作用于敏感芯片时, 压敏电阻阻值发生变化, 电阻R1, R3和R2, R4受到的应力方向相反, 变化相反。设ΔR1=ΔR3=ΔR, ΔR2=ΔR4=-ΔR (ΔR1~ΔR4分别表示R1~R4的变化量, ΔR表示R1, R3增加的量, -ΔR表示R2, R4减小的量) , 则电桥输出电压 (Vout) 表示为

式中Vin为激励电源 (5 V恒压源) 。当外界压力一定、激励源恒定时, 压敏电阻的变化率越大, 输出电压越大。

传感器的灵敏度S是指单位压力下的输出电压, 即

式中:V (pM) 为满量程时输出的电压;pM为加载在芯片上的最大压力;V (p0) 为无压力作用于敏感器芯片时的输出电压;p0表示加载在芯片上的压力为0。当传感器的满量程输出电压越大时, 传感器的灵敏度越高。当敏感芯片受到的压力一定时, 压敏电阻变化率越大, 输出电压越大, 灵敏度越高。

压敏电阻变化率可表示为

式中:πl为纵向压阻系数;σl为纵向应力;πt为横向压阻系数;σt为横向应力;π44为p型硅的剪切压阻系数 (常温下为136.2×10-11 Pa-1) [6]。

传感器平膜结构和岛膜结构如图2所示。图2中a为敏感膜片边长, b为岛宽, h为敏感膜片厚度, H为岛高。平膜结构的传感器受到外界压力作用时膜片表面的变形可以等效成经典的薄板理论模型[7]。岛膜结构是薄板与厚板的复合结构, 从理论上不便于分析, 因此先确定平膜结构的敏感膜片尺寸, 然后在平膜中心处添加硬心, 通过有限元分析软件的参数化功能, 得到合理的硅岛尺寸。

在相同的载荷下, 方膜比圆膜有更大的应力, 且工艺更简单, 因此压力敏感膜为方形[8]。传感器的结构设计应满足如下设计原则: (1) 线性原则, 为保证传感器有较好的线性输出, 在传感器的量程范围内, 敏感膜片的变形应满足薄板小挠度变形原理, 敏感膜片的最大挠度小于膜厚的20%; (2) 可靠性原则, 为保证传感器有较高的可靠性, 应对压力敏感膜片的抗压能力进行冗余设计, 敏感膜片内最大合应力值小于材料破坏应力的1/5; (3) 高灵敏度原则, 为保证传感器有较高的灵敏度, 压敏电阻的变化率应不小于2%, 即

根据设计要求, 芯片的尺寸确定为3.5 mm×3.5 mm×1 mm, a=1 mm。平膜结构的压力传感器受到外界压力时, 敏感膜片的变形可等效为四边固支的方形薄膜受压变形。根据经典薄板理论, 四边固支的正方形薄板最大挠度ωmax出现在薄板的中心位置处[8], 即

式中:p为传感器量程 (2 MPa) ;E为杨氏模量 (硅的杨氏模量为170 GPa) 。

平板的最大应力σmax出现在四边的中心位置处[8], 即

根据设计原则 (线性原则和可靠性原则) , 式 (5) 和式 (6) 应满足如下关系式

式中σm为硅的破坏应力 (6×109 N/m2) 。本文中a=1 mm, 将参数代入上式得到h>56μm。

在合理的敏感膜片厚度范围内, 膜片越薄, 弹性变形越大, 由形变导致的应力越大, 灵敏度越高。结合微纳加工工艺的精确性, 为获得最大灵敏度, 敏感膜片的厚度确定为60μm。敏感膜片的边长和厚度不变, 通过有限元仿真软件Comsol分析确定岛的宽度和高度。

使用有限元仿真软件的参数化功能, 固定敏感膜片的边长不变, 采用单一变量法, 将岛的边长设为参量, 分析不同岛宽对敏感膜最大挠度的影响, 仿真结果如图3所示, 当岛宽与敏感膜片边长比值 (b/a) 越大时, 岛对敏感膜的刚度影响越大, 敏感膜的刚性越大, 最大挠度越小。岛宽b对敏感膜表面应力 (σ) 分布的影响如图4所示, b越大, 敏感膜上的应力越小。当b/a为0.5~0.6时, 应力差的分布最对称。b为a的一半时, 传感器有较高的灵敏度。当a和b固定时, 岛高H对敏感膜的最大挠度影响如图5所示:当H小于3 h时, 岛越高, 敏感膜的最大挠度越小;H大于3 h时, H对敏感膜最大挠度的影响几乎不变。合适的岛高不仅能满足传感器的灵敏度要求, 而且能为传感器提供过载保护, 因此H确定为335μm。

由以上仿真结果可知, p=2 MPa, a=1 000μm, h=60μm时, b=500μm, H=335μm为敏感结构的最佳尺寸。该尺寸下敏感膜力学性能仿真图如图6所示, 图6 (a) 为敏感膜上应力分布图, 由图可见应力分布对称, 最大应力为50 MPa, 满足灵敏度要求。图6 (b) 为敏感膜上的最大挠度分布图, 敏感膜的最大变形为0.35μm, 仅为平膜结构的40%, 极大地提高了传感器的线性度。

压阻式压力传感器的电学性能主要取决于压敏电阻的设计, 其设计参数包括掺杂类型与掺杂浓度、电阻位置、电阻形状和尺寸。相同的掺杂浓度下, p型掺杂的压阻系数π44要远大于n型掺杂的压阻系数-π44, 为获得最大灵敏度, 压敏电阻采用硼掺杂, 且在 (100) 晶向的硅衬底上沿<110>或晶向排列[9]。压敏电阻掺杂浓度的选取将决定压敏电阻的阻值、压敏电阻温度系数、压阻系数和压阻系数温度系数, 对于在高温环境下工作的压力传感器, 这几个参数决定着传感器的温度性能, 因此压敏电阻掺杂浓度的选取非常重要。对于p型掺杂的压敏电阻, 压敏电阻温度系数为正, 随温度升高压敏电阻阻值增大, 压阻系数温度系数为负, 压阻系数随温度升高而减小。根据工程经验, 当压敏电阻的掺杂浓度为2×1018和5×1020 cm-3时, 电阻的压阻系数温度系数和压敏电阻温度系数大小相等、方向相反、相互抵消, 压力传感器的输出不受温度影响[10]。其中压阻系数随掺杂浓度的增加而减小, 为了保证传感器的输出有较好的灵敏度, 压敏电阻掺杂浓度设计在2×1018 cm-3附近。受实际工艺条件的限制, 本文压敏电阻的掺杂浓度为9.5×1017 cm-3, 结深为1μm。

由图6可以看出, 敏感膜上的应力分布主要集中在两个区域, 一个在方膜四边中心附近区域, 另一个在方膜边与岛之间的凹槽区域, 在两个区域内对应位置的应力方向是相反的。为了获得较大的灵敏度, 压敏电阻条应布置在应力集中区且压敏电阻变化相反的位置上。为充分利用敏感膜上的应力集中区, 压敏电阻设计为平直式。考虑热耗散功率、低输出阻抗等约束, 压敏电阻的阻值设计为1.3 kΩ, 宽20μm, 长80μm, 方阻为330Ω。压敏电阻有如图7所示的2种不同排列方式:第一种方式将其中的两个电阻布置在靠近敏感膜边缘的位置, 另外两个布置在靠近硅岛的位置, 相邻电阻所在位置应力差方向相同, 流经电阻的电流相互垂直;第二种方式放置位置和第一种方式相同, 但四个电阻所在位置应力差方向相反, 流经电阻的电流方向相互平行。由于敏感薄膜上的应力分布具有对称性, 压敏电阻所在位置受到的应力影响一样, 为了便于测量, 压敏电阻按第一种方式排列。

图8所示为沿路径AA′的应力差分布图, 最大应力在方膜边缘和硅岛边缘, 为获得最大灵敏度, 压敏电阻应放置在膜片边缘和硅岛边缘处。但由于光刻和深硅刻蚀等实际工艺的限制, 压敏电阻放置在边缘中心位置靠内40μm。图9和图10分别为压敏电阻R1, R2所在路径纵横向应力差分布图, 由图可知, R1所在路径应力从36.4 MPa变化到34.4 MPa, R2所在路径应力从38.4 MPa变化到35.8 MPa, 应力变化平缓, 且大小几乎相等, 压敏电阻的位置合理。压敏电阻上的最大应力为38.4 MPa, 根据式 (3) 可得压敏电阻变化率为2.65%, 满量程输出电压为122 mV, 灵敏度为0.066 mV/kPa。

压力传感器敏感芯片采用MEMS标准工艺进行制备, 工艺流程如图11所示。 (1) 清洗:选取SOI晶圆, 进行无机清洗。 (2) 掺杂:采用离子注入工艺对顶层硅进行硼掺杂, 注入浓度为9.5×1017 cm-3, 注入结深为1μm, 方阻测试为330Ω。 (3) 刻蚀压敏电阻:通过深硅刻蚀工艺刻蚀出电阻条, 并保证顶层硅刻蚀干净, 使压敏电阻之间实现电气隔离。 (4) 沉积钝化层:为防止压敏电阻在使用过程中因氧化造成芯片性能失效, 采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 法沉积SiO2薄膜钝化层。 (5) 刻蚀欧姆接触区:采用电感耦合等离子体 (ICP) 干法刻蚀工艺, 刻蚀去除电阻条两端与金属引线连接区域的钝化层。 (6) 重掺杂欧姆接触区:采用离子注入工艺对欧姆接触区域进行重掺杂, 掺杂浓度为2×1019 cm-3, 降低金属引线与压敏电阻的接触阻抗, 形成良好的电气连接。 (7) 溅射金属引线:采用磁控溅射技术在器件层表面依次溅射金属钛铂金, 制作金属引线。 (8) 第一次深硅刻蚀:采用深硅刻蚀技术对衬底Si进行刻蚀, 刻蚀深度为5μm。 (9) 第二次深硅刻蚀:采用深硅刻蚀技术对衬底Si进行刻蚀, 掩蔽中心区域, 刻蚀深度为335μm, 释放硅岛敏感膜结构。 (10) 阳极键合:底层硅与高硼硅玻璃进行阳极键合, 形成绝压参考腔。○11引线键合:将芯片上的焊盘与基座上的焊盘进行引线键合与外界形成电气互连。制作完成的传感器芯片如图12所示。

压力敏感芯片的封装如图13所示, 利用耐高温硅酸盐胶将制作完成的压力敏感芯片固定在不锈钢基座上, 采用引线键合的方式将传感器芯片的电极引出, 为实现良好的气密性, 此处采用高温垫环通过过盈配合的方式实现气密。对制作的SOI基岛膜结构高温压力传感器采用如图14所示的温度-压力复合测试平台进行校准测试, 其测试结果如图15所示。测试结果表明, 该传感器在工作范围内的每个温度点都有较高的精度, 其线性度、重复性、迟滞均小于0.5%。温度对传感器的输出存在一定的影响, 传感器的输出电压随温度的升高而减小。常温工作环境下传感器灵敏度达到0.055 mV/kPa, 200℃工作环境下其灵敏度下降为0.048 mV/kPa。传感器的灵敏度主要由压敏电阻的变化率决定, 在一定的外界压力下, 压敏电阻的变化率越大, 传感器的灵敏度越大。压阻系数温度系数为负, 根据式 (3) 可得电阻变化率随温度升高而降低, 所以传感器的灵敏度随温度升高而减小。

常温下传感器的实际测试结果与理论计算值的相对误差为20%。这种误差可能是由实际工艺偏差造成的, 例如深硅刻蚀的不均匀性导致敏感膜片厚度与设计值有一定的偏差, 光刻的对准误差导致压敏电阻条偏离设计的位置, 也会导致压敏电阻与压阻系数最大的晶向<110>, <110>产生角度偏移。压敏电阻位置的偏离和角度的偏移都会对传感器的性能造成较大的影响。对传感器的灵敏度进行理论计算时, 用压敏电阻所在位置的最大应力代替整个电阻上的应力, 导致理论值与实际值有较大的误差。

本文对岛膜结构的高温压力传感器进行了研究, 利用有限元分析软件Comsol仿真分析了敏感膜片表面的应力分布, 并根据应力分布优化设计了压敏电阻的尺寸和位置。对制备完成的压力传感器进行封装测试, 表明该传感器有较高的灵敏度和线性度, 能够满足实际百富策略白菜网需求。后续将主要进行温度补偿电路的研究, 降低传感器的温漂, 增加传感器在整个温区测试的稳定性。