表面微机械MEMS温度传感器研究*

刘庆海,黄见秋

(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京 210096)



表面微机械MEMS温度传感器研究*

刘庆海,黄见秋*

(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京 210096)

提出一种基于表面微机械工艺的MEMS温度传感器,其基本原理是:由于材料热膨胀系数的差异,复合悬臂梁在热应力作用下发生弯曲,进而影响压阻单元中的应力分布,压阻变化通过惠斯登电桥读出,由电桥输出电压变化表征温度的变化。相比于其他温度传感器,这种微机械温度传感器的灵敏度高、尺寸小、精度高。针对提出的温度传感器结构,文中给出了传感器的设计原理、制备工艺以及信号检测电路的设计。经测试,传感器的灵敏度为9.2 mV/℃,具有良好的稳定性。

压阻效应;悬臂梁;表面微机械;温度传感器

温度和日常生活密切相关,也是科学实验和生产活动必不可少的重要物理量之一。温度传感器占有较高的市场份额,每年销售额可达几亿美元,已然成为信息化社会不可或缺的元件。温度测量的主要方法是利用材料性能参数随温度变化来表征温度。这些性能参数有:机械形变、热电阻、热电动势、材料的热膨胀等[1]。目前使用最为广泛的温度传感器有:第一,双金属温度计,由两种或多种具有不同热膨胀系数的金属片叠组成多层金属片。当温度变化时,多层金属片发生应力形变,以分度标尺的形式指示温度。此类温度传感器制作简单,成本低,但是测温范围较窄、测温精度低。第二,热电偶温度传感器。由两种不同的导体两端分别相连构成回路。当两个连接点存在温度梯度时,回路中产生电动势,这种温度梯度产生电动势的效应称为热电效应。冷端的开路电压正比于两端的温度差。此类温度传感器测温范围宽,精度高,但是灵敏度极低。第三,电阻式温度传感器。利用金属或半导体对温度的敏感特性表征温度。由金属材料制成的为热电阻,由半导体材料制成的为热敏电阻。热电阻测温线性度好,但是体积大、价格高、灵敏度低。热敏电阻灵敏度高、体积小,但是测温线性度很差,测温范围窄。随着微制造工艺和单片集成技术的日趋成熟,各类微型温度传感器已出现在我们的日常生活中。与传统的温度传感器相比,微型温度传感器具有小型化,智能化和低成本等优点。常见的硅基微型温度传感器有:硅双极型集体管、PN结以及热电阻,而CMOS工艺技术是制备这类硅基元件的主流技术。

本文提出了一种利用表面工艺制备的压阻式MEMS复合梁温度传感器。基于压阻原理设计了MEMS温度传感器结构。当温度变化时,复合梁的双层材料因热膨胀系数的失配产生弯曲而形成热应力。压阻的变化通过惠斯登电桥读出,利用应力的变化表征温度的变化。文中对传感器工艺以及版图进行了设计。在传感器制备的基础上设计了测试电路并搭建测试系统,经测试,传感器的灵敏度为9.2mV/℃,具有良好的稳定性。

1 传感器工作原理

当半导体受到应力作用时,由于载流子迁移率的变化会使得电阻率发生变化,这种现象被称为压阻效应[2]。半导体材料的压阻效应通常由两种方式形成:一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应片,另一种是在半导体材料的基片上,用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻或离子注入型压敏电阻。式(1)为压阻的变化与所受应力的关系式。

(1)

式中:R为压阻电阻值,ρ为电阻率,π为压阻系数,σ为应力。

半导体发生弹性形变后,在应力得到释放后,电阻能恢复到应变前的阻值电阻值的变化量与应力的关系由压阻系数σ决定。单晶硅的压阻系数是与晶向、掺杂类型、衬底温度有关。对于P型和N型硅来说,压阻系数的值随着温度的掺杂浓度的增加而降低。而表面杂质浓度降低时,温度增加,压阻系数下降得快;表面杂质浓度高时,温度增加,压阻系数下降的慢。为了降低温度影响,扩散电阻的表面杂质浓度高些较好,但扩散杂质较高时,压阻系数会降低。当设计硅压阻时必须仔细选择合适的掺杂浓度。选择合适的掺杂浓度可以忽略温度对压阻系数的影响。这样,压阻值的变化就正比于所受的应力。这种效应为机械能和电能之间的能量和信号转换提供了一种简单直接的机制,具有实际应用价值。压阻式传感器具有易于集成、灵敏度高、信号检测电路简单、体积小、可靠性好等优点。对于一般的压阻式传感器来说,传感器温漂往往需要抑制和补偿,但是从另一个角度来看,可以通过结构设计来增加温度对压阻效应的影响,进而检测温度的变化。压阻式复合梁温度传感器的基本原理是[3]:复合悬臂梁在热应力作用下弯曲。在铝膜和硅的接触面上产生剪切应力,使得位于硅悬臂梁根部表面的压阻的阻值发生变化。其基本原理如图1所示,由于结构中的绝缘介质层很薄,悬臂梁形变主要受铝和硅材料的影响[4],铝的热膨胀系数远大于硅。当温度上升时,复合梁向下弯曲,如图1(a)所示,温度下降时,复合梁向上弯曲,如图1(b)所示。

图1 复合梁感温机制

复合梁的形变会在根部压阻上产生应力变化。压阻的变化最后通过惠斯登电桥读出。基本的惠斯顿电桥由4个连接成环状的电阻组成。两个电阻分别隔开了两个节点,输入电压加在这两个节点之间,另外两个节点之间的电压降构成了输出,环中的一个或多个电阻可以是敏感电阻,其阻值随着设定的变量而变化。通过一系列公式推导,可得惠斯通电桥的电压输出U0与环境温度T的关系为[5]:

U0=kIπ(1-μ)(α1-α2)(T-T0)

(2)

式中:k为系数常量,由材料特性确定,π为压阻系数,μ为硅材料的泊松比,(α1-α2)为铝材料与硅材料的热膨胀系数差。当传感器的各个参数确定后,上式中除温度T外均为定值,所以电桥的输出电压与待测温度T成线性关系。

当温度从-20 ℃增加到40 ℃时,悬臂梁的最大位移会减小而压阻上的最大应力会增加。悬臂梁的长度显著影响着悬臂梁的最大位移矢量,但是压阻上的最大应力几乎与悬臂梁的长度无关[6]。所以,在保证灵敏度不变情况下,传感器的尺寸可以进一步被减小。

图2 压阻式复合悬臂梁温度传感器结构

图2给出了悬臂梁以及压阻。图示结构主要包括以下几个部分:硅衬底、压阻、二氧化硅、氮化硅、铝膜温度敏感层等。

2 传感器制备工艺

本文的传感器采用悬臂梁结构,通常制作悬臂梁的方法是采用SOI硅片,背面腐蚀的方法,然后释放结构。本文通过外延封腔工艺形成单面加工,表面微机械成型的悬臂梁结构[7],其优点在于传感器集成度高,工艺误差小,传感器一致性好,利于批量生产。

2.1 材料的选择

为了提高压阻的温度响应,本文设计了多层悬臂梁复合结构。当温度变化时,由于多层材料的热膨胀系数的差异而导致复合梁的形变,进而对压阻产生较明显的应力作用,提高传感器的灵敏度。所以,选择合适的悬臂梁材料能够优化传感器的灵敏度。

尽管悬臂梁很容易通过多晶硅表面加工工艺制得,但是往往很难控制多晶硅层中的残余应力和应力梯度。单晶硅是微机械系统中较为常见的机械材料。本文中压阻上的悬臂梁为一层单晶硅微机械层[8],通过硅的外延工艺制得,能够保证敏感结构具有优秀的机械性和压阻特性。铝材料常被用于集成电路中的电学连接,制备工艺非常成熟。而且铝的热膨胀系数分别是硅和二氧化硅的10倍和50倍左右。所以本论文中采取铝膜作为感温结构的敏感材料。

2.2 传感器的制备工艺

悬臂梁结构是通过外延单晶硅表面微加工工艺制备而得[9]。传感器具体加工工艺过程是:首先,通过各项异性的干法腐蚀工艺制得通孔阵列,然后,通过通孔阵列采用各项同性的根切工艺形成空腔,如图3(1);第二,通过低压化学气相沉淀形在硅片上形成外延硅,完成密封,如图3(2);第三,通过硼扩散工艺形成作为应力敏感元素的压阻模块,如图3(3);第四,通过重掺杂工艺形压阻上的欧姆接触,如图3(4);第五,通过淀积工艺形成LPEOS和LPSiN的复合膜,如图3(5);第六,通过刻蚀形成电介层,如图3(6);第七,电镀形成铝膜层,并通过刻蚀形成用于电学连接的焊盘,如图3(7);最后,通过正面的干法腐蚀工艺释放悬臂梁结构,如图3(8)。实际中,在硅的外延工艺后,传感器的制备是采用了标准的CMOS工艺技术,最后通过MEMS后处理工艺完成了悬臂梁结构的释放。

图4给出了压阻式复合悬臂梁温度传感器的SEM照片。复合悬臂梁的尺寸为100μm×400μm。垂直放置的两对压阻式悬臂梁形成了惠斯通电桥形式。压阻单元制作在每个悬臂梁固支端中心位置以最大化压阻上所受的应力。悬臂梁结构是由Al/电质介/Si复合而成。

图3 基于硅外延工艺的压阻式悬臂梁制作工艺

图4 压阻式悬臂梁的SEM图

通过与前处理工艺以及后处理工艺结合,本文提出的温度传感器可以与CMOS工艺兼容[10]。传统的体加工工艺需要从背面掏腔和双面对准技术形成悬臂梁结构,形成的悬臂梁尺寸精度较低。通过MEMS表面微加工形成悬臂梁温度敏感结构,传感器只需进行单面加工,节省芯片面积同时提高了加工精度[11]。

3 传感器测试系统

传感器在控温恒温槽中进行了测试,通过测试电路将传感器温度响应进行输出,对传感器性能进行了验证。

3.1 测试电路系统设计

本论文设计的压阻式温度传感器的输出为惠斯通电桥结构,传感器的测试采用开环连接方式,如图5所示,传感器共有5只输入输出引脚[12]。

图5 开环式惠斯登电桥测试原理

在选择电桥的供电方式上,这里选择温漂较小的恒流源供电方式。电桥的一组对角线实现供电,恒定电流I1、I2分别从a端和e端流入电桥。另一组对角线是传感器的信号输出端,b端和d端。图5中的c端接地。由于该输出信号是mV级的,如果将此微弱信号直接输入到单片机内部,将无法被采集到,所以需要一个放大器将信号放大,然后输入到单片机。单片机采集到的数据通过串行的方式,经过数据线SDA和时钟线SCL将数据通过液晶显示出来。整个测试电路系统的原理图如图6所示。

图6 测试电路系统原理图

电路中的电压放大器采用的是AD623集成单电源仪表放大器。放大器的增益通过外接电阻设置成100倍,放大传感器输出的微弱信号。放大器的参考电平可以平移调整放大器的输出电压区间,通常设置成MCU供电电压的一半。系统中的MCU采用SiliconLabs公司的C8051F350单片机。在电路中,单片机的作用是:提供给传感器两个恒定电流;放大器输出电压的ADC采样;实现与液晶显示的串口通信。供电模块是采用LM1117-3.3DC-DC芯片实现3.3V的供电电压。

通过单片机控制实现ADC采样、串口通信以及恒定电流的提供等功能的调用[13]。采用模拟I2C方式实现与液晶模块的串口通信。单片机采集的数据最后通过液晶显示出来。由于欧姆效应,电阻存在自加热作用,影响温度响应的准确度。所以,电桥输入采用脉冲式电流供电,如图7所示。这样既避免了自加热效应又大幅度的降低了功耗。

图7 惠斯通电桥的脉冲式供电

图8给出了搭建好的整个测试系统,图中的控温恒温槽用于产生不同的温度条件。

图8 测试系统和读出电路

3.2 测试结果

为了便于对比,文中给出了无可动结构的固定式压阻结构和悬臂梁式压阻温度传感器的测试结构。传感器的测试温度范围为-20 ℃～40 ℃。

图9 悬臂梁式压阻感温敏感特性和固定式压阻感温敏感特性

从图9可以看出,无可动结构的固定式压阻结构和悬臂梁式压阻温度传感器都具有单调线性的温度响应。但是比较后发现,采用悬臂式的压阻传感器的灵敏度有了较大的提高,大约为9.2mV/℃。相比于固定式结构(1.3mV/℃),灵敏度约提高了7倍。当灵敏度明显提高后,测温的精确度会有明显地提高。同时,悬臂梁式的压阻传感器有着较好的线性度,简化了后期的温度标定过程。

图10中的曲线为悬臂式压阻温度传感器多次测量的结果。实验中对悬臂式压阻温度传感器进行了四轮反复升温和降温测量,传感器的输出特性保持一致。显示出较好的重复性。

图10 悬臂式压阻温度传感器长期可靠性测量

4 结论

本文的压阻式悬臂梁采用表面微加工工艺制得,传感器结构主体为外延单晶硅材料。相比于体加工工艺,尺寸精度有了较大地改善。采用了复合悬臂梁结构,温度传感器的灵敏度为9.2mV/℃,相比于固定式压阻结构有较大的提高,可以用于温度测量。在-20 ℃～40 ℃的测量范围内,温度传感器表现出较好的线性度和重复性,具有较好的性能。

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A Surface Micromachined MEMS Temperature Sensor*

LIUQinghai,HUANGJianqiu*

(Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Presented a surface micromachined MEMS temperature sensor. Its basic principle was:Composite cantilever beamsbent with thermal stresses induced by differences of thermal expansion coefficients. The stresses in thepiezoresistors changed with the deformation of beams and a voltagewas output by the Wheatstone bridge to characterize the temperature. Compared with other temperature sensors,the piezoresistivemicromachined temperature sensors had advantages of higher sensitivity,smaller size and higher precision. The paper reported the design principle,fabrication process and the signal conditioning circuitof the sensor. According to the test results,the sensitivity ofthe sensor is 9.2 mV/℃ and it presents excellent repeatability.

piezoresistiveeffect;cantilever;surface micromachining;temperature sensor

刘庆海(1988-),男,硕士研究生,主要从事MEMS温度传感器的研究,liuqh_yz@163.com;

黄见秋(1981-),男,副研究员,主要从事CMOS MEMS、微型温度传感器、微型湿度传感器、传感器测试结构等方面的研究,hjq@seu.edu.cn。

项目来源:国家863计划项目(2012AA040502)

2015-01-06 修改日期:2015-02-10

C:7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.005

TP212.1

A

1004-1699(2015)03-0325-05