基于牺牲层技术的高过载压力传感器芯片*

揣荣岩,王 健,2*,代 全,杨理践

(1.沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳 110870;2.沈阳化工大学信息工程学院,沈阳 110142)



基于牺牲层技术的高过载压力传感器芯片*

揣荣岩1,王 健1,2*,代 全1,杨理践1

(1.沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳 110870;2.沈阳化工大学信息工程学院,沈阳 110142)

提出了一种基于牺牲层技术的高过载压力传感器芯片。这种传感器充分利用了多晶硅机械特性和多晶硅纳米膜的压阻特性优势,提高了传感器满量程输出和过载能力。利用有限元方法设计了仿真模型,通过对弹性膜片应力分布的静态分析和非线性接触分析,给出了提高这种压力传感器满量程输出和过载能力的设计方法。并试制了量程为2.5 MPa的传感器芯片样品。测试结果表明样品的过载压力超过7倍量程,5 V供电条件下,满量程输出达到362 mV。

压力传感器;过载保护;牺牲层技术;多晶硅纳米膜

硅基压力传感器具有较好的频率响应、灵敏度和过载能力[1],这些传感器用于差压、绝对、气压或真空压力测量,应用于多种工业、测试和测量领域,包括工业、化工、航空航天、汽车和半导体制造。过载压力是传感器的一项重要指标,体硅压力传感器一般过载压力为满量程2倍～5倍[2]。高过载能力压力传感器用于压力测量可靠性要求高的情况,例如:工业上的气体和液体输运系统、航空系统中的压力测量等。伴随可靠性要求不断增加,需要研制更高过载能力的压力传感器。

高过载能力体硅传感器具有过载保护结构。采用微机电系统(MEMS)技术的压阻式压力传感器通常有平膜、岛膜和梁膜等结构[3-6]。在设计过载保护时,体硅压力传感器一般采用膜片底面的凸台结构,当压力增大到一定的值后,膜片底部的凸台与腔体下面载片接触,阻止硅膜片的进一步向下位移,从而起到了保护作用。该结构工艺方法有背部刻蚀技术、硅直接键合(SDB)技术、玻璃刻蚀技术等[7-8]。然而这些结构的腔体尺寸较大,进一步提高灵敏度受到限制,而且增加了生产成本[9]。

为了提高传感器的灵敏度并减少尺寸,人们研制了表面微机械压力传感器[10-11],该传感器的典型工艺是在硅片上淀积二氧化硅作为牺牲层,再淀积多晶硅作为弹性膜片,通过牺牲层技术去掉牺牲层并形成密闭腔体,然后,在弹性膜片上制作应变电阻和导线组成惠斯通电桥。该传感器的弹性膜片膜厚可小到2 μm以下,因此灵敏度高。但由于弹性膜片很薄,因而过载能力低。因此,该种传感器过载保护结构研究十分必要。在2011年,学者提出了牺牲层结构的压力传感器的过载保护设计仿真研究结果[12],为研制传感器样品打下良好基础。

通常体硅压力传感器的力敏电阻是采用在单晶硅片上扩散或注入杂质的方式实现[13]。为了改善温度特性,后来也采用了普通多晶硅薄膜[14],但普通多晶硅薄膜(膜厚一般大于0.3 μm)应变因子较小,不利于提高灵敏度。近些年的研究结果表明,多晶硅纳米薄膜(膜厚为90 nm)具有比普通多晶硅薄膜更优越的压阻特性[15-16]。重掺杂条件下其应变因子仍可达到34,具有负应变因子温度系数,数值小于1×10-3/℃,电阻温度系数可小于2×10-4/℃。因此,在压力传感器上采用多晶硅纳米薄膜作力敏电阻,可以提高灵敏度,扩大工作温度范围,降低温度漂移[17]。与扩散硅压力传感器相比,多晶硅纳米膜体硅压力传感器表现出较好的温度特性[18]。对于表面微机械压力传感器,希望电阻层的厚度越薄越好,从而减小其对弹性膜片应力分布的影响。仿真研究表明在表面微机械压力传感器上采用多晶硅纳米薄膜作力敏电阻具有优势[19]。

本文研制了一种量程为2.5 MPa牺牲层结构压力传感器芯片。该传感器采用多晶硅纳米膜为力敏电阻,以多晶硅为敏感膜片。

图1 研制的传感器芯片示意图

1 传感器芯片结构

研制的传感器芯片结构如图1所示。其中,a为膜片长度,b为膜片宽度,H1为膜片厚度,H2为腔体高度。力敏电阻R2和R4设置在膜片中心附近,力敏电阻R1和R3设置在膜片长边中心附近,4个电阻连接成惠斯通电桥,为便于调整电桥零点输出,在芯片上设置了6个焊盘。传感器电路连接如图2所示。

图2 研制的传感器电路连接图

1.1 电阻和膜片面积设计

采用LPCVD工艺制作的多晶硅薄膜,在淀积温度为620 ℃,掺杂浓度为3×1020cm-3附近,膜厚为80 nm～100 nm的条件下,具有良好压阻特性。纵向应变因子Gl=34,横向应变因子Gt=-16.5。薄膜平均晶粒度为32 nm,电阻率为0.014 Ω·cm[15-16]。

研制的传感器的力敏电阻采用上述多晶硅纳米膜,阻值设计为2.0 kΩ。当5 V电压源供电,根据多晶硅单位面积最大允许功耗计算得电阻最小宽度为4.4 μm。设计时,如果电阻尺寸过小,每个电阻含有的晶粒较少,易导致4个电阻阻值的失配度大,因此设定电阻的宽度为14 μm。再根据电阻值要求计算电阻的长度为12 μm。

设计的膜片为长宽比为2∶1矩形。在一定压力作用下,膜片在膜片长边中心附近产生最大拉应变,在膜片中心出现最大压应变。由于力敏电阻中心应设置在最大纵向应变点附近,因此,电阻设置如图1(a)所示。R1和R3电阻上各点应变随位置变化较大,电阻越长,电阻长度与膜片宽度的比率愈大,电阻平均应变越小,灵敏度越低。所以,为提高灵敏度应减小比率。但是,太小的比率又会增大芯片面积和工艺难度。因此,应采用合适的比率。根据传感器设计经验确定电阻长度与膜片宽度的比率为1∶10。因此,确定膜片宽度b=150 μm,膜片长度a=300 μm。

1.2 膜片厚度设计

压力传感器设计目标之一是压力和输出电压关系在量程范围内为线性基础上提高灵敏度。非线性包含材料非线性和几何非线性两个方面。多晶硅是脆性材料,且抗拉强度比单晶硅的高一倍[20]。因此,在结构设计时不考虑材料非线性问题。对于体硅压力传感器,当膜片中心挠度相对于膜片厚度较大时产生“气球效应”,压力与膜片应力关系非线性[21],即为几何非线性。所以,传感器设计主要考虑几何非线性。为了保证线性基础上提高满量程输出,本文以在满量程压力下膜片中心挠度与膜片厚度之比为0.25作为膜片厚度设计准则。

在设计中,首先采用周边固支矩形膜片模型计算膜片厚度和中心挠度,然后采用有限元方法建模仿真确定膜片厚度。

对于周边固支的矩形薄板,长边中心最大应力为[22]:

(1)

式中,b为膜片宽度,H1为膜片厚度,p为压力,设a为膜片长度,当a=2b时,β1=0.4974。

膜片中心挠度为[22]:

(2)

式中,E=169 GPa为多晶硅的杨氏弹性模量,当a=2b时,α=0.027 7。

当b=150 μm,由于多晶硅抗拉强度为1.2 GPa[20],则当压力为2.5 MPa时σ1=1.2 GPa对应的膜片厚度为最小膜片厚度。从式(1)和式(2)计算得H1=4.83 μm,wmax=1.84 μm。

根据计算结果,采用ANSYS有限元分析软件建立传感器1/4模型如图3所示。多晶硅的力学参数采用杨氏弹性模量为169 GPa,泊松比为0.22,抗拉强度为1.20 GPa[20]。模型中腔体高度2.5 μm,模型的膜片长度为150 μm,膜片宽度为75 μm。

图3 传感器仿真模型

采用有限元分析方法,在2.5 MPa压力下,传感器模型的膜厚与中心挠度关系如图4所示,膜厚与膜片长边中心最大应力关系如图5所示,图4和图5中也包含相应的采用公式计算的曲线。

从图4和图5可以看出,计算曲线与仿真曲线趋势相同,说明可以采用式(1)和式(2)对本文模型进行初步估计。然而,在相同膜厚时,膜片中心挠度仿真结果比计算结果大,仿真的长边中心最大应力比计算值小。产生差异的原因是研制的传感器结构为台阶型,压力作用下膜片周边不完全固支。因此,采用有限元方法仿真数据更准确。

图4 2.5 MPa压力下膜厚与中心挠度关系

图5 2.5 MPa压力下膜厚与长边中心应力关系

从图4仿真曲线看出,2.5 MPa压力下,膜片中心挠度与膜片厚度之比为0.25的膜片厚度为6.3 μm,即为膜片设计厚度。

一定压力下,力敏电阻变化率为:

ΔR/R=Glεl+Gtεt

(3)

式中,Gl=34为多晶硅纳米膜纵向应变因子,Gt=-16.5为多晶硅纳米膜横向应变因子,εl为电阻的平均纵向应变,εt为电阻的平均横向应变。

如图2所示,采用恒压源E供电,传感器输出:

(4)

式中,ΔR1为压力P作用下电阻R1和R3阻值变化量,ΔR2为压力P作用下电阻R2和R4阻值变化量,R0为无压力下力敏电阻值,取2.0 kΩ。

建立图3传感器模型,模型中腔体高度2.5 μm,膜片长度为150 μm,膜片宽度为75 μm,膜片厚度为6.3 μm。仿真表明,在5 V电压下,2.5 MPa压力下,传感器输出电压为374 mV。

1.3 腔体高度设计

在结构设计中,如果选择合适腔体高度,使膜片断裂前与衬底接触便可提高过载能力。在膜片与衬底接触后,不可避免会产生非线性形变,因此,本文使用非线性接触分析方法对腔体高度进行优化设计,提高压力传感器的过载能力。

1.2.1 标本采集 该孕妇接受检测前的遗传咨询并签署同意书，根据孕周行羊膜腔穿刺，在B 超探头引导下行羊膜腔穿刺术抽取羊水30ml进行培养以及染色体微阵列分析(chromosomal microarray analysis, CMA)。

建立图3传感器模型,模型中膜片长度为150 μm,膜片宽度为75 μm,膜片厚度为6.3 μm。仿真分析表明当加载压力使膜片上的最大应力刚好达到多晶硅的抗拉强度时,膜片中心的挠度为2.3 μm。显然,腔体高度H2<2.3 μm时,膜片在断裂前可与衬底接触,而腔体高度H2≥2.3 μm时,无需考虑膜片与衬底接触问题。

腔体高度H2<2.3 μm时,随着腔体高度的减小,使膜片与衬底刚好接触所需加载的压力也随之减小,当该加载压力恰好减小到满量程压力时,腔体高度不可再减小,否则传感器在量程范围内将出现非线性形变,破坏线性响应。因此,据此可确定腔体高度的最小值。仿真表明传感器模型对应的腔体高度最小值为1.6 μm。在H2=1.6 μm,当膜片上的最大应力达到多晶硅的抗拉强度时,加载压力为49 MPa,此压力值即为过载压力。其应力分布仿真结果如图6所示。

图6 1.6 μm腔体高度模型的膜片上从膜片中心沿宽度方向应力分布

在压力传感器实际设计中,出于工艺精度的考虑,腔体高度应适当大于上述最小值。若以量程的20%为余量,则研制的传感器应在加载3 MPa压力时膜片刚好与衬底接触。经仿真得到留有余量的腔体高度为1.9 μm(在试制样品时,实际的腔体高度为2 μm)。取腔体高度为1.9 μm进行仿真,当加载压力为34 MPa时,膜片最大应力达到多晶硅的抗拉强度1.2 GPa,过载压力达到了13倍量程。

腔体高度H2>2.3 μm时,膜片断裂前不与衬底发生接触,只需进行非接触仿真分析。在H2=3 μm,当最大应力达到多晶硅的抗拉强度时,加载压力为3.5 MPa,膜片应力分布的仿真结果如图7所示。

利用有限元分析方法,对腔体高度H2在1.6 μm～5 μm之间取不同值时进行仿真,给出了膜片最大应力刚好达到多晶硅的抗拉强度时,衬底和膜片底部之间的距离ΔH与腔体高度H2的关系,如图8所示。同时也给出了膜片最大应力达到抗拉强度时所施加的过载压力Pmax与腔体高度H2关系,如图9所示。

图7 3 μm腔体高度模型的膜片上从膜片中心沿宽度方向应力分布

图8 H2与ΔH关系

图9 H2与Pmax关系

从图8的仿真结果可以看到,当H2≤2.3 μm时,ΔH=0,弹性膜片在断裂前已经和衬底接触,传感器的过载能力可得到有效提高。这一点可从图9的仿真结果得到进一步说明,当H2≤2.3 μm时,膜片最大应力达到断裂强度时所施加的过载压力Pmax随H2减小急剧变大,这是因为此时膜片与衬底接触受到支撑的面积在增加,过载能力得到了不断提高。当H2>2.3μm时,Pmax随着H2变大保持在最小值附近。因此,通过适当控制腔体高度可以有效提高传感器的抗过载能力。

总结仿真设计结果,研制的传感器结构如图1所示。其中,每个力敏电阻长度为12 μm,电阻宽度为14 μm,膜片长度a=300 μm,膜片宽度b=150 μm,膜片厚度H1=6.3 μm,腔体高度H2=2 μm。

2 传感器样品制作

采用所设计的压力传感器结构试制了样品,制造工艺主要步骤如图10所示。

图10 研制的传感器工艺流程图

传感器主要工艺步骤如下:①在硅衬底上,采用PECVD方法淀积一层1.5μm厚二氧化硅作为第1牺牲层;②采用PECVD方法淀积0.5 μm厚二氧化硅作为第2牺牲层,如图10(a)所示;③在牺牲层上采用LPCVD方法淀积2.5 μm厚多晶硅作为第1膜片层,经过光刻形成腐蚀孔,如图10(b)所示;④用氢氟酸溶液释放牺牲层,如图10(c)所示;⑤采用LPCVD方法淀积3.5 μm厚多晶硅作为第2膜片层,从而使腔体密封,如图10(d)所示;⑥热氧化0.2 μm厚二氧化硅作为绝缘层,在其上采用LPCVD方法淀积0.09 μm厚多晶硅纳米薄膜作为电阻层;⑦采用PECVD方法淀积0.12 μm厚二氧化硅作为钝化层,并利用光刻和离子注入方法对电阻层进行局部掺杂形成力敏电阻,如图10(e)所示;⑧利用光刻技术对钝化层进行光刻形成引线孔,蒸铝并光刻形成金属布线完成芯片制作,如图10(f)所示。

研制的传感器样品照片如图11所示。

图11 研制的传感器的照片

3 测试结果与讨论

对图11所示样品进行了测试,测量时用5 V稳压源为样品供电,主要仪器包括:ESPEC SHANGHAI型超低温调温箱一台,RUSKA 7250Ⅺ型压力控制器一台,YO-600C型活塞式压力计一台。

在-40 ℃～200 ℃范围内调控测试环境温度,间隔25 ℃为一个温控点。对每个温控点,在0～2.5 MPa范围,采用RUSKA 7250XI型压力控制器调控压力,压力每次增加或减少间隔为0.1 MPa,以一个正、反行程为一个循环,连续进行3个循环测量样品所受压力和对应输出电压。根据测量结果,绘制25 ℃正行程均值的压力与输出电压关系曲线如图12所示,计算样品的主要性能指标如表1所示。

图12 传感器样品的压力与输出电压关系曲线

表1 传感器样品主要指标测量结果

体硅压力传感器弹性膜片为单晶硅,为了防止断裂和非线性,传感器膜片满量程时最大应变设计为接近5×10-4[2]。牺牲层技术压力传感器敏感膜片一般为多晶硅,由于多晶硅断裂强度比单晶硅高一倍[20],并且多晶硅是脆性材料[20],因此,为了提高满量程输出,多晶硅膜片满量程最大应变可以大于单晶硅相应值。对研制的传感器模型仿真优化结果表明:当多晶硅膜片最大应变为2.418×10-3时,膜片中心挠度与膜片厚度之比为0.25,压力与输出仿真曲线线性依然很好。因此,据此确定了膜片厚度设计准则。

从图12和表1可见,传感器样品的输出曲线线性较好,说明满量程条件下,膜片中心挠度与膜片厚度之比为0.25的设计准则合理,研制的传感器在保持压力与输出电压的线性关系前提下具有较高的满量程输出。

研制的传感器的过载能力测试和仿真曲线如图13所示。测试曲线的样品测量条件为:温度为25 ℃,5 V电压源供电,使用YO-600C型活塞式压力计,压力范围为0～20 MPa,测量间隔为1 MPa。仿真曲线是通过将不同压力下传感器模型的力敏电阻平均应变仿真值代入式(3)和式(4),计算5 V电压源供电的传感器输出电压而获得。

图13 研制的传感器样品过载能力测试与仿真结果

由图13可见,压力在3 MPa～4 MPa之间测量曲线出现转折,说明弹性膜片开始触底。测量曲线在加载为19 MPa时输出突然下降,而后不随压力而变化。说明传感器在此压力下损坏,其过载压力为18 MPa,超过了7倍量程。仿真曲线与测试曲线一致性好,说明本文给出的设计方法合理,有效提高了满量程输出和过载能力。

普通的体硅压力传感器过载压力为2倍～5倍量程,在5V电压下满量程输出为60 mV～100 mV[1-2]。通过对美国霍尼韦尔公司、瑞士Keller公司、德国Sensor technics公司、中国传感器国家工程研究中心的产品研究表明[23-25],各厂家量程为2.5 MPa的体硅压力传感器性能指标比较接近。部分指标典型值包括:工作温度范围是-40 ℃～85 ℃,非线性(25 ℃)为±0.2%FS,重复性(25 ℃)为±0.1%FS,热零点漂移为±0.02%FS/℃,热灵敏度漂移为±0.02%FS/℃。因此,与体硅压力传感器相比,研制的传感器具有体积小、灵敏度高和过载能力强的优点,但重复性和热灵敏度漂移性能稍差,需要在进一步研究中改进。

4 结论

对基于牺牲层技术的多晶硅纳米膜压力传感器,通过设置合适的力敏电阻与膜片宽度比率,以及调整满量程压力膜片中心挠度与膜片厚度之比,可以发挥多晶硅的力学特性的优势提高满量程输出,研制的传感器样品测量结果表明5 V电压下满量程输出为362 mV。通过调整腔体高度使弹性膜片与衬底在适当压力下接触,可以在保证传感器线性响应的前提下有效提高传感器的过载能力。仿真结果表明,设计的传感器模型过载压力可达到13倍量程。所试制的量程为2.5 MPa的传感器样品的过载压力为18 MPa,超过了7倍量程。

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揣荣岩(1963-),男,沈阳工业大学信息科学与工程学院教授,2007年在哈尔滨工业大学获得微电子学与固体电子学专业工学博士学位,主要研究方向是半导体物理、半导体器件和MEMS设计,me_sut@163.com;

王健(1965-),男,沈阳化工大学信息工程学院副教授,2009年在沈阳工业大学获得微电子学与固体电子学专业工学硕士学位,现在沈阳工业大学攻读博士学位,主要研究方向是MEMS传感器设计和工艺研究,wj100_108@126.com;

代全(1990-),男,沈阳工业大学信息科学与工程学院研究生,2012年在沈阳工业大学获得电子科学与技术专业工学学士学位,主要研究方向是MEMS加速度和压力传感器设计,405354223@qq.com。

AChipofHighOverloadPressureSensorBasedonSacrificialLayerTechnology*

CHUAIRongyan1,WANGJian1,2*,DAIQuan1,YANGLijian1

(1.School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China;2.School of Information and Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China)

A chip of high overload pressure sensor based on sacrificial layer technology is presented. The sensor takes advantages of polysilicon mechanical and polysilicon nanofilm piezoresistive characteristics to increase its full scale output and overload capacity. A simulation model of the proposed sensor is designed by finite element analysis. With the analyses of static and nonlinear contact for stress distribution on the sensor membrane,a design method is proposed to improve the pressure sensor full scale output and overload capacity. And a 2.5MPa full scale pressure sensor sample is developed. The sample measurement results show that an overpressure of 7 times higher than full scale pressure,a full scale output voltage of 362 mV under a supply voltage of 5 V are achieved.

pressure sensor;overload protection;sacrificial layer technology;polysilicon nanofilm

项目来源:国家自然科学基金项目(61372019)

2014-08-05修改日期:2014-10-30

TP212

:A

:1004-1699(2014)12-1615-07

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.006