氮化钽薄膜压力传感器研究

谢贵久，周国方，何 峰，蓝镇立，王 栋，龚杰洪，季惠明

（1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙410111;2.薄膜传感技术湖南省国防重点实验室，长沙410111;3.天津大学，天津300072）

1 引 言

氮化钽薄膜是一种优良的压阻材料，其结构相对复杂，目前已知的相有11种之多[1-3]。氮化钽具有高稳定性，较低电阻温度系数、适中应变因子、优良耐磨性等优点，是一种广泛应用用途航空航天、微电子、动力机械等领域的材料。此外，相较于目前常用的镍铬合金薄膜材料，TaN薄膜的具有更优异的自钝化特性，能在空气中生成一层致密的Ta2O3膜，并能在非密封状态下工作，抵抗水气侵蚀，从而具有优良的稳定性和可靠性。因此，氮化钽薄膜压力传感器具有广阔的应用前景，但氮化钽为化合物材料，需研究制备及热处理工艺得到稳定可靠的压力传感器。

2 工作原理

薄膜压力传感器的工作原理如图1所示，薄膜应变传感原理是气体压力P作用在金属弹性体上使结构产生变形，采用直流离子束溅射等技术在弹性体结构上制作组成电桥的薄膜电阻，弹性体变形使应变电阻阻值发生变化，电桥输出与压力成比例的电信号。通过改变弹性体结构的厚度，将压力量转换为位移形变量，以便传递给薄膜电阻，使电阻产生相应的形变，可制造不同量程的压力传感器。

图1 应变原理图

3 结构及版图设计

3.1 膜厚设计

设计时候采用的是圆形平薄膜片的结构作为压力传感器的感压元件。设计钢杯结构时，通过在膜片边缘处通过R0.4内倒角解决膜片边缘应力集中的问题，可以保证在过载200%满量程条件下膜片不会达到弹性极限。

此时，圆形平薄膜片的厚度设计就是影响传感器灵敏度的关键因素。膜片的设计厚度为0.5mm，通过研磨抛光减薄40μm后，经测试，在过载130MPa条件下，芯体性能未出现突变。

3.2 应变版图设计

周边固支平薄膜片的径向应变和切向应变公式如下[4]：

其中：εr为径向应变，εt为切向应变，p为均布压力（Pa），μ为膜片材料泊松比，R为平薄膜片半径（cm），r为膜片任意部位半径（cm），E为膜片材料弹性模量（Pa），h为膜片厚度（cm）。版图设计如图2。

图2 应变版图设计

如图2(a)所示，在圆心处径向应变与切向应变为大小相等的拉应变，在平膜片边缘径向应变为压应变，切向应变为零。薄膜电阻的版图设计要最大化利用弹性体的应变区域，提高输出灵敏度。由应变计原理可知，当应变电阻的图形的几何对称完全与应力分布方向相吻合时，应变电阻产生的应变电阻值最大。因此，设计时最大化将应变量转换为阻值变化，如图2(b)所示。

3.3 封装设计

传感器结构如图3所示。传感器设计量程为50MPa，产品直径小于20mm，最大破坏压力为135MPa，因此传感器结构设计时应考虑的主要难点为135MPa耐压以及小型化封装的设计。

图3 封装结构图

在传感器结构设计上采用端面密封结构，敏感芯片与基座通过激光焊密封，经过试验验证加压结构和焊缝均可以承受135MPa压力。

传统的溅射薄膜芯片封装采用焊锡固定内外引线板，导致产品直径超过28mm。为减小传感器封装尺寸，选用引线支架引出芯片的输入输出，该引线直接直接固定5根Ф0.8 mm镀金引针，基座通过激光焊与支架固定。内引线板穿过5根镀金引针用焊锡固定在支架上，芯片与内引线板采用金丝球焊连接。固定环与支架通过激光焊连接，外引线板穿过5个镀金引针用焊锡固定在固定环的卡槽上，从而实现了传感器封装小型化、轻质化。

4 实 验

芯片用弹性体材料用17-4PH不锈钢，其弹性模量大于197GPa。通过机械磨盘研磨抛光完成该不锈钢弹性基底的平坦化处理。采用直流离子束溅射镀膜的方法在经过处理的不锈钢弹性基底上沉积缓冲层和绝缘层。采用直流离子束反应溅射沉积工艺，在绝缘层上沉积氮化钽薄膜[5]，靶材为99.99%纯度的Ta靶，尺寸为110 mm×100 mm×3 mm，溅射气体采用99.99%的氩气和氮气混合气，本底真空为9×10-4Pa，溅射气压为 2.7×10-2Pa，N2/Ar2流量比为3%，沉积时间30 min。

采用真空气氛热处理完成该氮化钽薄膜的退火工艺，本底真空为5×10-2Pa，通入氩气作为保护气体，退火气压为0.1 Pa，退火温度为700℃，退火时间为1 h。

通过离子束刻蚀经氮化钽薄膜[6]，形成四个电阻桥组成惠斯通全桥电路，内电阻分布在靠近弹性体应变区域的中心，外电阻分布在靠近应变区域的边缘。利用离子束溅射沉积工艺依次沉积金属Ti（10nm）、金属铂（100nm）及金电极（800 nm）及钝化层SiO2（250nm）。各层薄膜结构如图4所示。

图4 薄膜层示意图

5 结果与讨论

热处理工艺对零点稳定性的影响如图5。其中图5(a)为未经退火工艺芯体零点输出的长期稳定性数据，图5(b)为退火处理后芯体零点输出的长期稳定性数据。从图中可以看到，未经退火工艺的样品零点漂移十分严重，在同样温度环境下最大可以就漂移量可以达到200μV，而经过热处理的传感器的在同一温度下的零点漂移量小于5μV。

图5 热处理工艺对零点稳定性的影响

由于TaN具有多种相，在没有达到稳定的状态下，在空气或者湿气的影响下，薄膜会发生性能的改变，导致薄膜电阻阻值发生长期漂移[7]。经适当的退火处理后，薄膜达到一个稳定的化学态，外界条件改变其电阻能力大幅下降，体现为传感器的零点稳定性大幅度提高。

传感器的性能测试结果如表1所列，从表中可以看出，采用TaN作为敏感材料的溅射薄膜压力传感器具有优异的非线性、高灵敏度等特点[8]。

表1 传感器性能测试结果

6 结束语

针对氮化钽薄膜压力传感器性能研究，设计了一种小型化、轻量化的结构及应变版图，采用直流反应离子溅射的方法制备氮化钽功能薄膜，利用高温退火炉对传感器进行热处理，在退火温度700℃，退火时间30min，得到了零点稳定性高的氮化钽薄膜压力传感器芯片。

该传感器所用TaN敏感材料，拥有优异的静态性能特性，高灵敏度等特性。相对于传统镍铬敏感材料存在工艺更复杂、温度特性差等不足，可满足温度特性要求低、灵敏度要求高的型号产品应用。

参考文献：

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