基于纳米硅薄膜的高灵敏度超微压压力传感器研制

基于纳米硅薄膜的高灵敏度超微压压力传感器研制

1、本项目国内外科技创新发展概况和最新发展趋势

微机电系统（MEMS, Microelectromechanical System）技术起源于微型传感器的发展，最初用于生产固态半导体硅压阻式压力传感器[1]，当MEMS技术迅速崛起之后，大大促进了微型传感器的技术进步，并使各种类型的传感器微型化，微型传感器已经成为MEMS的重要组成部分之一，目前具有实用价值并得到广泛应用的是微机械力敏传感器，主要包括压力传感器、加速度传感器、角速度传感器等，而其中应用最广的是半导体硅压阻式压力传感器[2]。这种利用压阻效应原理[3]，采用三维集成电路工艺，在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行微机械加工，集应力敏感与力电转换检测于一体的力学固态传感器，具有输出信号大、信躁比高、电路处理方便、频响跟随特性好等一系列优点。

目前，在以大规模集成电路（IC, Integrated Circuit ）和计算机软件介入的迅猛发展的智能传感器技术中，能够制成单片式多功能复合敏感元件，仍然最受瞩目。同时测控技术的发展，要求压力传感器量程越来越小，分辨率越来越高，使得微压压力传感器在科学实验、工业自动化控制、空气动力学、计量学等领域越来越重要，如科学实验中的高分辨率的测试；空气动力学研究中飞机、导弹、运动机械和高层建筑楼宇设计等；工控中新型热工锅炉的二次进风系统、空调、超净过滤系统、煤矿瓦斯监控系统等；计量市场的石油天然气、液化气计量等，都需要量程在数百帕的高精度高灵敏度的超微压压力传感器。

因此，毫米级外形尺寸、微米级加工精度的高灵敏度超微压压力传感器，集MEMS CAD 设计、MEMS微加工和MEME封装于一体，是MEMS技术的典型产品，有着极大的应用领域和市场份额，标志着一个国家计量测试技术的水平，因此开展高灵敏度超微压压阻式压力传感器技术的研究与科技攻关，对于我国科技的发展及形成新的产业至关重要。

早期的硅压力传感器一般采用圆形平膜，在低量程传感器芯片制作中，则需减小硅膜厚度。当其硅膜厚度减到一定的程度，一方面性能恶化，非线性增加；另一方面硅电阻结深难以控制，导致一致性和成品率下降，成本上升，为此国内外都在寻求用新型结构硅芯片或新敏感材料来制作超微压压力传感器。

Shimazoe[4]提出了背面带有圆岛的岛膜结构，力敏电阻制作在环形的薄膜上，用来制作低压高精度的压力传感器，但此结构的膜上应力变化大，对电阻定位要求高，器件尺寸也难以微型化，不利于批量生产。

文献[5]采用了由正面选择浅腐蚀形成的梁膜结构，在膜的中心处有一个方块，方块的四面中心各有一个应力梁，梁的形状和尺寸可以有多种选择，力敏电阻制作在应力梁上。其主要特点是利用从正面腐蚀形成的梁与从背面腐蚀的膜相

叠加，由于硅膜的刚度系数与膜厚的立方成正比，因此梁区的硅比膜区的硅厚一倍，梁区的刚度系数即为膜区的刚度系数的八倍，显然已有足够的应力集中效应。同时，梁膜结构还可以利用梁的宽度变化进一步得到应力集中效应。将其与玻璃静电键合后制成的传感器芯片尺寸为5.5mm×5.5mm，封装后S.Hein等研制了最小量程为300Pa的压阻式压力传感器，采用2mA恒流源激励，测试温区为－35～＋85℃，满量程300Pa输出为15mV/V。

到目前为止，国外尚未有关于量程低于300Pa的压阻式压力传感器的报道，商品化处于领先地位的是Honeywell公司，其产品目录中最低量程为1000Pa。

在超微压力传感器的研究领域，国内学者并不落后于国外同行。在1000～2000Pa的低量程上，也实现了产业化，文献[6－11]的研究成果曾领先于国外，文献[10]报道了抗高过载的超微压压力传感器的研制，提出了应力匀散和双层岛的限位结构，设计了双岛－梁－膜，双岛在硅膜背面，而在硅膜正面有一个横贯着两个硅岛，并将硅膜分为对称两个部分的硅梁，力敏电阻设臵在岛与岛之间及岛与边界的硅梁上，起着应力二次集中的效果，提高了传感器的灵敏度和线性度。量程也为300Pa，采用6V恒压源激励，传感器的满量程输出大于30mV，非线性误差为0.25％，应力匀散结构使得过载能力达到满量程的140倍。近年来MEMS技术的快速发展，使得压力传感器量程低微化有了可能，主要体现在[12]：

（1）功能日益增强的MEMS CAD技术（CONVENTOR、IntelliSuite、ANSYS等）将有可能获得更合理的力学结构及敏感元件分布与构图，从而获得更微小、更线性和高灵敏度的敏感元件设计结构；

（2）微加工工艺的进步，可实现更理想的版图结构，使传感器有更佳的综合性能，获得高成品率和低成本的敏感芯片阵列；

（3）封装工艺的发展，保证了芯片从无应力制造到无应力封装，使传感器的稳定性、重复性和可靠性等指标更优秀，使传感器向高精度测试应用领域发展。

文献[13]报道了一种新颖的微加工工艺，该工艺可以很方便的利用SU-8胶进行大深宽比的微腔制造，从而有效拓宽了微型压力传感器的测量范围，提高了传感器的可靠性与可集成性。同时微电子学向纳米电子学发展过程中必然要依靠一些具有新颖性的纳米电子器件的研究，此为国家发展纳米技术中明确的方针[14]。纳米硅（nc－Si：H）薄膜是一种由大量硅细微晶粒（几个纳米nm大小）和包围着它的晶粒界面组织构成的一种新型纳米电子材料。纳米硅薄膜中的晶粒是晶态的，其大小为3～8个nm，占整个薄膜层的体积的50％，另外50％是无序排列硅原子构成的晶粒间界面区，厚度为2～4个原子层，此新颖的结构使得纳米硅与单晶硅（C－Si）和非晶硅（a－Si）有着明显的区别，并呈现出一系列的特殊性能，成为研究的热点，文献[15～17]研究了纳米硅薄膜的压阻效应，发现具有纳米结构的硅薄膜压阻系数为单晶硅的4～6倍，而且具有较好的稳定性，为研制具有高灵敏度的超微压压力传感器提供了应用前景。

项目提出在单晶硅衬底上通过增强等离子化学沉积法（PECVD）生长优质纳

米硅薄膜作为力敏测量层，与硅微加工工艺结合，制作高灵敏度压阻式微型压力传感器芯片，通过无应力封装工艺，研发0～100Pa、0～250Pa、0～500Pa、0～1000Pa系列量程超微压压力传感器，具有高灵敏度、高可靠性和高稳定性特点，能取得创新的自主知识产权，填补国内空白，并将其推向市场实现产业化。

参考文献

1 Bao M, Wang W. Future of micro electromechanical systems (MEMS). Sensors and Actuators A，1996，56：135～141

2 Milan M. Jevti, Miloljub A. Smiljani. Diagnostic of silicon piezoresistive pressure sensors by low frequency noise measurements. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 144(2): 267-274

3 C. Gradolph, A. Friedberger, G. Müller, et al. Impact of high-g and high vibration environments on piezoresistive pressure sensor performance.Sensors and Actuators A: Physical, 2009,150(1): 69-77

4 Shimazoe M, Matsuka Y, Yasukawa A, et al. A spexial silicon diaphragm pressure sensor with high output and high accuracy. Sensors and Actuators，1982，2：275～282

5 Hein S , Schlichting V , Obermerier E. Piezoresistive silicon sensor for very low pressure based on the concept of the stress concentration. Transducers’93，Yokohama，Japan，1993

6 Fang He, Qing-An Huang, Ming Qin.A silicon directly bonded capacitive absolute pressure sensor. Sensors and Actuators A: Physical, 2007,135(2): 507-514

7 WANG Quan, DING Jianning, et al. Fabrication and temperature coefficient compensation technology of low cost high temperature pressure sensor. Sensors and Actuators A. 2005, 120: 468-475

8 赵晓锋, 温殿忠. 纳米多晶硅薄膜压力传感器制作及特性.半导体学报，2008，29（10）:2038-2042

9 Bao M , Yu L, Wang Y. Concentration structure with four beams for pressure sensor. Sensors and Actuators A，1991，28：105～112

10 尹颢，杨恒，王文襄等. 抗高过载微压传感器.传感器技术，2001，4：48～51

11 Yang H , Shen S，Bao M, et al. A pressure transducer with a single-sided multilevel structure by maskless etching technology. Mechatronics，1998，8：585～593

12 薛伟，王权，丁建宁，等. 基于MEMS技术的超微压压力传感器研究进展，农业机械学报，2006，3