表面微机械加工的高长宽比矩形薄膜压力传感器

张艳敏，王 权，2，李昕欣

(1．江苏大学机械工程学院，江苏镇江　212013；2．传感技术国家重点实验室，上海　200050；3．中科院上海微系统与信息技术研究所，上海　200050)

0　引言

压阻式压力传感器由于微机械加工技术的发展使其敏感元件微型化，生产批量化、低成本化，确立了在压力测量领域的主导地位，较之传统的膜合电位计式、力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好、精度较高、低功耗、易于微型化与集成化等一系列优点，在工业、汽车和医学等领域有着广泛的应用[1-3]。

传统的压阻式压力传感器采用扩散或离子注入的方法，掺杂获得4个硅应变电阻，在单晶硅片正面上构成惠斯登电桥的应力敏感检测模式，电阻和衬底之间一般形成PN结隔离。为了满足测试量程的需要，背面一般采用氢氧化钾腐蚀减薄，也常称为体微机械加工[4-6]。为制作绝对压力传感器，必须先采用两块硅片预加工后，高温键合形成真空腔，然后抛光减薄到所需要的厚度，再在键合体的正面通过体微机械加工，形成所需要的图形，以构成检测电路。然而，当器件温度在100 ℃以上时，电阻和衬底之间形成的PN结漏电流很大，使器件无法工作，无法满足在高温度环境下压力测试的使用。对硅片背部进行湿法深腐蚀，减薄形成膜片，又浪费了硅片上大量的面积，使得硅片的利用面积降低。获得绝对压力测试的真空参考腔的过程，初始成本高，工序繁多。最后，体微机械加工的压力传感器芯片为满足封装的需要，还必须和专用的玻璃进行静电键合以增加封装强度，才能满足实际测试需要。

表面微机械加工技术[7-9]是以基底材料作机械支撑，然后在其表面上利用薄膜沉积和腐蚀牺牲层等技术进行微机械元件的加工制作。表面微机械加工的压力传感器芯片面积可以很小，更与现有微电子封装技术兼容，使得无论是芯片制作成本，还是后期的封装成本都远远小于体微机械加工的压力传感器芯片。最为重要的是：表面微机械加工的压力传感器芯片工艺与IC工艺相兼容，可以将信号调节电路，微处理器等集成在一起，而且可以将其他测试功能用同样的工艺集成在一起，如加速度测试、温度测试等，使得芯片多功能化，更符合目前测试系统集成化、小型化和低成本化的发展要求。

文中设计了不同测试量程的狭长型矩形薄膜绝对压力传感器芯片，芯片制造基于表面微机械加工工艺，采用低应力氮化硅(LS SiN)薄膜作为压力传感器芯片的核心结构层，多晶硅薄膜淀积在LS SiN 薄膜上，干法腐蚀制作形成力敏电阻条，电阻通过金属铝的连接形成惠斯登检测电路。封装后对制备的压力传感器的稳定性进行了测试，结果显示此传感器可用于半导体大工厂兼容的工艺规模化低成本制造，并且具有很好的长期稳定性。

1　芯片结构设计

压阻式压力传感器利用硅电阻的压阻效应[10]来检测外加压力的大小。如图1所示，硅电阻是应力敏感原件，通常制备在承压弹性膜上。当膜区受到外加压力作用时，产生变形，根据压阻效应，膜上的应力变化引起硅电阻的阻值变化，4个硅电阻构成惠斯登电桥，在电压的激励下，电桥失衡，输出端有电压差，通过检测输出的电压可以检测出外加压力的大小。

图1　高长宽比矩形薄膜表面微机械加工压力传感器示意图

为提高输出灵敏度，将弹性膜设计为长矩形。根据膜区的应力分布图，充分利用多晶硅电阻的纵向压阻效应，尽量利用膜上张应力的部分[11]，将一对电阻条的一部分放到了薄膜的外面，另一对电阻布置在膜的中心位置，这样既保证了4个等值的电阻构成惠斯登测试电桥，又使得一对电阻完全处于张应力区域，电阻条被拉伸，电阻变大，另一对电阻处于压应力区域，电阻条被压缩，电阻变小。通过对薄膜结构关键尺寸进行适当的修改，可以获得量程从1 kPa～1 MPa的绝对压力传感器芯片。

2　芯片制造

设计中的绝对压力传感器硅芯片，工艺制作流程如图2所示。

图2　压力传感器芯片制作流程图

(a)将清洗烘干后的硅片在氧化炉中热氧化，后进入低压汽相化学沉积(LPCVD)炉淀积低应力氮化硅(LS SiN)。

(b)在LPCVD炉中淀积低温氧化硅(LTO)。第一次光刻LTO，在38 ℃缓冲的氢氟酸中腐蚀LTO，后在120 ℃的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，烘干。

(c)进入LPCVD炉中生长掺磷的低温氧化硅(PSG)。第二次光刻定义PSG的形状。

(d)将清洗烘干后的硅片进入LPCVD 炉中生长LS SiN。

(e)在LPCVD炉中淀积多晶硅薄膜(Poly)，通过硼扩散或硼离子注入使多晶硅薄膜掺杂，并将硅片在高温950 ℃～1 200 ℃氮气保护下，退火40 min。第三次光刻Poly电阻条的形状，采用干法电感耦合的等离子体刻蚀。

(f)将烘干后的硅片第四次光刻定义腐蚀孔，采用活动离子腐蚀RIE刻蚀LS SiN，再在40%HF 牺牲层腐蚀。

(g)进入LPCVD炉中生长由四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4)为硅源分解的氧化硅(TEOS)封住腐蚀孔。第五次光刻定义TEOS栓。

(h)烘干后的片子进入LPCVD炉中，生长LS SiN绝缘层。第六次光刻定义接触孔，用RIE刻 LS SiN。

(i)溅射铝Al薄膜，第七次光刻Al，在Al腐蚀液中腐蚀Al，烘干。在合金炉中高温450 ℃，氮气保护下合金。

最后划片，贴片和检测。划片后的芯片照片如图3所示。

(a)60 kPa

(b)200 kPa

(c)450 kPa

(d)700 kPa

3　测试

对封装后的绝对压力传感器硅芯片长期输出稳定性进行测试。试验设备为GE DP1 104数字式标准压力表，精度为0.05%FS，具有5位数字分辨率；数字万用表为ESCORT 3146A型；直流稳压电源型号JC2733；烘箱等。以60 kPa设计量程的压力传感器为例，测试了该压力传感器九个月内在周围环境下及16 kPa和65 kPa两组外加压力下的输出电压，测试结果如图4所示，图中结果显示输出电压值是上下随机波动，没有朝着一个方向漂移，表明密封的真空参考压力腔没有泄漏，因此稳定性得到了保证。

图4　压力传感器长期稳定性

4　结束语

设计了表面微机械加工的高长宽比矩形薄膜压力传感器芯片，采用由低应力氮化硅(LS SiN)薄膜作为芯片的核心结构层，多晶硅薄膜淀积在LS SiN 薄膜上，经干法腐蚀形成力敏电阻条。4类不同压力量程的压力传感器芯片经制备、封装后，以量程60 kPa压力传感器为例，测量其长期稳定性，试验结果表明，随着时间的推移和温度的变化，压力传感器输出结果变化不大，具有较强的抗干扰能力。该压力传感器工作稳定，准确性好，可以用于汽车轮胎压力监控(TPMS)和电脑硬盘保护等领域，具有很高的实用价值和应用前景。

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