压阻式MEMS高温压力传感器设计与关键工艺研究

压阻式MEMS高温压力传感器设计与关键工艺研究
李丹丹;梁庭;李赛男;姚宗;熊继军
【摘要】在SIMOX技术SOI晶圆的基础上,设计了压力敏感芯片结构,并基于MEMS工艺制作了压力敏感芯片.根据芯片实际情况,分析了传感器制备过程的关键工艺参数及其影响.同时采用5V恒压源供电,在相同情况下,增加kulite压力传感器背靠背测量不同气压下的输出电压值并比较.测量结果表明,所制备的SOI压力传感器线性度达到0.99％,重复性高达0.35％,迟滞性为0.1％,有望用到实际工程应用中.【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】3页(P9-11)
【关键词】SOI(绝缘体上硅);压力敏感芯片;关键工艺;kulite压力传感器;背靠背测量
【作者】李丹丹;梁庭;李赛男;姚宗;熊继军
【作者单位】中北大学,电子测试技术重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学,电子测试技术重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学,电子测试技术重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学,电子测试技术重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学,电子测试技术重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
高温、超高温环境中的压力原位测量成为最迫切的需求[1]，如火炮堂内原位压力测量，发动机燃烧室内外原位压力测量，高速飞行器外表面原位压力测量等。

硅压力传感器利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，通过集成电路工艺和微机械加工工艺等MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)加工工艺研制，在近几年得到了快速广泛的发展[2-3]。

SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上硅)压力传感器是一种新型的半导体高温压力传感器，有灵敏度高，耐高温、抗辐射和稳定性好等优点[4]，能够解决石油、汽车、航空和航天等领域对高温压力传感器的迫切需求，在高温领域有很大的潜力[5]。

目前，耐高温高频响压力传感器主要有压电式和压阻式两大类，比较典型的压阻式传感器有美国Kulite和Endevco的系列产品[6]。

本文在SOI商用晶圆基础上，经过对敏感薄膜的仿真分析，设计了SOI结构敏感芯片，并在MEMS工艺基础上制备了敏感芯片，同时对制备过程中的关键工艺进行分析，最后对其进行不同载荷的性能测试，分析并比较了测试结果。

1.1 传感器工作原理
该SOI高温压力传感器是基于单晶硅材料的压阻效应而制成的一种传感器，通过对方形硅薄膜的建模仿真可以发现最大应力位于膜边缘中间区域，因此设计的版图中压敏电阻也在此处，如图1所示。

通常敏感芯片正面制作有4个硅压敏电阻R1、R2、R3、R4，并使其组成惠斯登电桥，构成压力检测电路，如图2所示。

设敏感膜正面的4个压敏电阻相等
(R1=R2=R3=R4=R),当敏感膜正反面所受压力不相等时，敏感膜发生形变，此时R1、R3在y方向发生拉伸，R2、R4在x方向发生纵向拉伸，根据公式R=pl/s，可知R1、R3中的l减小，阻值变小，R2、R4中的l增大，阻值变大，假设4个
压敏电阻阻值变化量均为ΔR，当输入电压为Vin并保持不变时，输出电压Vout 可表示为
式中V0为零应力和零应变时压力传感器的输出。

惠斯登电桥可由恒流源或者恒压源供电进行工作，在实际应用时应根据电桥电阻阻值大小来选择合理的供电方式，当惠斯登电桥2个支路的电阻相等时，采用恒流源供电可以消除温度的影响[7]。

1.2 传感器设计分析
压阻式压力传感器主要是通过敏感膜受压之后产生形变引起惠斯通电桥的不平衡变化从而改变输出电信号的，满足薄膜变形的小挠度理论模型[8]。

为了使传感器有良好的线性输出，通常要求其最大变形量小于膜厚的20%，这时薄膜仅有弯曲，而没有拉伸；同时为了满足敏感薄膜的抗过载要求，敏感薄膜表面最大应力差应小于硅的破坏应力的1/5，传感器的输出灵敏度要求敏感芯片的压敏电阻变化率应该大于2%[9]，综合考虑，设计要求如式(2)所示：
式中：硅材料的杨氏模量E=190 GPa；泊松比υ=0.278；硅的破坏应力
σm=4.5×108 N/m2；π44=138×1011 m2/N，代表硅的剪切向压阻系数，σl、σt分别表示纵向应力和横向应力。

取量程P=2 MPa，a=500 μm，同时综合考虑工艺误差和限制，取膜片厚度
h=30 μm。

为了保证金属引线在不同环境下的性能，同时为了避免金属与半导体在接触中形成金属与半导体的化合物，采用物理气相沉积(PVD)的Ti/Pt/Au三层金属的结构，三层金属在高温下均有较好的稳定性，可以有效解决在高温恶劣环境下，焊盘和引线力学和电学性能不稳定的情况。

选择使用由注氧隔离技术制成的SOI晶圆(SIMOX)作为原片。

清洗去除表面杂质
后，对器件层硅进行扩散掺杂，作为SOI压阻式压力传感器敏感元件的底片；然
后用ICP干法刻蚀机进行刻蚀，得到压阻条；然后双面淀积SiO2，作为绝缘层和保护膜；正面腐蚀出电极孔，作为欧姆接触区域；溅射多层金属，作为欧姆接触、引线和焊盘区域；背面深硅刻蚀硅杯，作为参考腔的原型；在背面与硼硅玻璃进行静电封接，得到参考腔；最后划片，封装，测试等。

传感器制备流程如图3所示。

为了方便传感器与外围电路的连接，设计如图4所示的不锈钢基座，将传感器通
过引线键合的方式连接到基座的烧结管脚上，方便测试。

3.1 欧姆接触
任何半导体器件或是集成电路都要与外界接触，这种接触通过欧姆接触实现[10]。

由于金属与半导体内部的载流子浓度不同，不良的欧姆接触会使金属与半导体之间产生较大的阻抗，以致于影响了器件本身的阻抗，使器件工作在非理想工作状态。

由于金属-半导体接触的空间电荷宽度与半导体掺杂浓度的平方根成反比，耗尽层
宽度随着半导体掺杂浓度的增加而减小[11]，所以对腐蚀出的电极孔表面进行重掺杂。

同时为了减小接触电阻，使得Si表面与溅射的金属能够形成合金，对其进行
N2保护环境下，570 ℃高温，保温2 min的退火处理。

3.2 阳极键合
阳极键合是在电场的作用下，将硅晶圆与硼硅玻璃按照某种要求，在一定温度键合在一起的一种MEMS加工工艺。

键合仪器为AWB04键合机，选择厚度为500
μm的4英寸Pyrex玻璃与已加工好的SOI晶圆(尺寸为4英寸，厚度为400 μm)在真空且400 ℃高温环境下进行阳极键合，考虑到接触面积尺寸较大，选择电压
为1 000 V。

当键合电流在0.1 mA，转移总电荷数在2 000左右且保持不在变化时，键合完成。

对键合面切割后进行扫描电镜下观察，如图5所示，可以发现键
合面非常平整，没有气泡和凸起。

3.3 引线键合
压阻式压力传感器的封装占总成本的很大部分，外引线键合是关键的封装工艺之一，主要选用退火后的金丝，采用热压焊技术[12]，将硅芯片上4个压敏电阻连接成到外部管脚上，在实际批量生产中，其是重要的。

采用West Bond 7476E球焊机对传感器芯片进行引线键合，考虑到第一点落在敏感芯片上，同时溅射金属厚度较薄，焊盘区域面积有限，所以劈刀压力和金丝成球不能太大，最终摸索出的键合参数为：劈刀压力10～18 g，超声功率220 W，超声时间45 ms；第二点落在管脚上，使用机器推荐参数即可，键合过程保持温度在150 ℃。

对传感器进行加压测试，测试平台如图6所示。

传感器置于高温压力炉内，传感
器检测电路通过高温压力炉顶部的接插件和外部恒压源与高精度万用表(Agilent 34410A)相接，通过读取输出电压值随施加气压的变化，研究不同压力下传感器的性能参数。

为了确保高温压力炉内的温度准确性，增加Pt100温度传感器实时检
测炉内温度，同时为了更好的分析传感器的性能参数，高温炉内放置kulite高温
压力传感器进行背靠背测量，测试曲线如图7所示。

对测试得到的结果进行数据拟合并分析，如表1所示。

分析表1可得，所制备的SOI压力传感器在不同的气压环境下，性能较好，线性度达到0.99，重复性和迟
滞性较之kulite传感器要差，后期应用于实际工程时，需外接补偿网络对传感器
的输出曲线进行补偿。

本文设计并制备了一种基于SOI的高温压力传感器，并对制备过程中的关键工艺
参数进行了分析；同时在同等条件下，对制备的传感器和kulite传感器进行背靠
背不同载荷下的性能测试，得到并讨论了该传感器的高压性能参数，探讨了不同压力环境中传感器的精度，重复性和迟滞性。

随着外界气压的增加，传感器输出电压-外部气压曲线呈现良好的线性特征，线性度达0.99，同时重复性高达0.35%，迟滞性为0.1%，传感器可在压力量程内正常工作，有望用到实际工程中，同时为合
理设计、应用SOI微结构压力传感器提供了参考依据。

【相关文献】
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