MEMS SOI高温压力传感器芯片

郭玉刚， 饶 浩， 陶茂军， 田 雷， 吴佐飞

(1.中国航空发动机集团控制系统研究所，江苏 无锡 214063；2.中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

在一些特殊应用领域如航空航天、国防建设、能源开发等，需要传感器工作在120 ℃以上的环境中，使得高温压力传感器的需求与日俱增,其中，绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)单晶硅高温压力传感器凭借其特有的优势受到了市场的青睐[1～3]。如以美国Kulite公司的XTEH—10L—190(M)系列产品为代表的超高温压力传感器，通过无引线封装结构设计，使其最高工作温度达到600 ℃以上[4,5]。国内的研究机构也进行相关产品的研究，中国电子科技集团公司第四十九研究所的SOI压力传感器已经产品化[6]，采用无引线技术的SOI压力传感器样机最高工作温度已经达到了450 ℃[7]。西安交通大学、天津大学、中北大学等高校也进行相关的研究，目前仍处于原理样机阶段，长期稳定性等重要参数较Kulite产品仍有较大差距[8]。为深入了解SOI压力传感器在发动机高温工作条件下的可靠性、长期稳定性等关键特性，本文研制了一种0～2 MPa压力量程的SOI高温压力传感器芯片，为后续SOI压力传感器长期在-55～150 ℃工作温度下的性能研究打下基础。

1 芯片设计

1.1 工作原理

压阻式压力传感器通常采用惠斯通电桥的全桥电路形式，4个桥臂电阻器应尽可能满足:1)等平均应力(绝对值)并最大限度利用应力；2)等压阻系数；3)等电阻值；4)等温度系数和等灵敏度系数[9，10]。其等效电路如图1。

图1 惠斯通电桥电路

电桥输出公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

当被测压强作用在敏感膜表面时，在敏感电阻器上产生与被测压强呈近似线性关系的应力，引起敏感电阻值的变化，在一定电源激励下从惠斯通电桥输出端可以获得反应被测压强大小的电压信号。

1.2 芯片结构设计

本文采用上述常规设计方案，选用了厚度为525 μm的(100)晶向单晶硅衬底SOI材料片，芯片设计量程为绝压0～2 MPa，方形敏感膜尺寸为1 000 μm×1 000 μm，芯片整体尺寸为2.5 mm×2.5 mm。对不同敏感膜厚度条件下的芯片结构进行有限元仿真，确定最终满足应用要求的敏感膜厚度为65μm。根据芯片结构尺寸建立有限元模型，定义单晶硅各向异性材料参数[11]，选用高阶三维20节点实体结构单元Solid186以及映射网格划分方式，并进行网格无关性验证，建模及网格划分结果如图2所示。

图2 SOI高温压力传感器芯片有限元模型

在敏感膜上施加2 MPa压力载荷后可以得到敏感膜上应力分布的云图，从而确定敏感电阻的位置以及其所承受的平均应力，仿真结果图3所示。

图3 仿真结果

从仿真结果中可以看出，在方形敏感膜的边沿中心处具有最大应力值，敏感电阻器处于该位置可以获得最高输出灵敏度以及最小非线性。

1.3 芯片版图设计

根据芯片关键结构尺寸定义以及有限元仿真结果，将敏感电阻器分布在敏感膜边缘中心应力集中区域，并充分利用敏感膜边缘外侧的应力集中区以提高芯片灵敏度，最终形成芯片整体版图如图4所示。

图4 SOI高温压力传感器芯片版图

版图分为4个层次，分别为敏感电阻层、引线孔层、金属层以及硅杯窗口层，其中关键层次为敏感电阻层。为充分利用应力集中区，敏感电阻器采用蛇形排列结构，电阻条宽设计值为5 μm，敏感电阻器设计方案如图5所示。

图5 敏感电阻器结构

2 芯片制备

本文设计的SOI高温压力传感器芯片由中国电子科技集团公司第四十九研究所协助加工，采用其自主开发的工艺条件[6]，具体工艺实现步骤如下所述:

1)将SOI材料片清洗后进行薄层氧化，厚度50 nm，作为离子注入的缓冲层；

2)对SOI材料片器件层(正面)进行浓硼离子注入，注入能量80 keV，采用高掺杂注入条件，使表面浓度达到2×1020cm-3，可以保证器件在更高的温度下工作，且使芯片在恒流源供电模式下工作时可以进行温度自补偿；

3)将器件层进行第一次光刻后，采用反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)干法刻蚀工艺对器件层进行刻蚀加工，形成压力敏感电阻器图形；

4)将圆片进行第二次氧化，在敏感电阻表面形成厚度200～250 nm二氧化硅绝缘层的同时，利用氧化工艺1 050 ℃的高温条件对注入的浓硼杂质进行退火；

5)采用低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)工艺在圆片的正反表面淀积形成厚度为100～150 nm的氮化硅薄膜，器件层(正面)上的氮化硅用于补偿二氧化硅的压应力，背面的氮化硅则用于湿法腐蚀的掩蔽层；

6)对圆片进行第二次光刻，将敏感电阻器上特定区域的氮化硅以及二氧化硅刻蚀去除，形成金属引线孔；

7)在圆片正面蒸发厚度1.2 μm的金属铝，金属通过绝缘介质层(氮化硅、二氧化硅)上的引线孔与敏感电阻器连接，再进行第三次光刻(金属层光刻)及刻蚀后形成金属电极及互联引线,最后在真空条件下进行合金，使金属铝与敏感电阻器之间形成良好的欧姆接触，合金温度为480 ℃，时间为30 min；

8)使用双面光刻机对圆片背面的氮化硅进行光刻，并用湿法腐蚀工艺去除特定区域的氮化硅和氧化硅，暴露出待腐蚀的单晶硅区域；

9)将圆片的正面进行保护，背面采用氮化硅及二氧化硅介质层进行掩蔽，置于温度恒定在78～82 ℃之间、浓度35 %的氢氧化钾溶液中对暴露的单晶硅区域进行腐蚀，通过控制腐蚀的时间，得到期望的硅杯结构以及65 μm厚的敏感膜；

10)腐蚀完成后，去除圆片背面的氮化硅及二氧化硅，将圆片与500 μm厚的Pyrex7740玻璃进行阳极键合；

11)将阳极键合后的圆片进行切割、分片，最终进行封装与测试，完成芯片研制。

最终得到的SOI高温压力传感器芯片如图6所示。

图6 SOI高温压力传感器芯片照片

3 封装及测试

选用可伐合金材质的充油芯体外壳进行SOI高温压力传感器芯片的封装，为尽量减小由封装引入的应力，粘片胶水采用邵氏硬度小于50的硅胶并严格控制点胶量，芯片与外壳之间采用线径1.2 mil(1 mil=0.025 4 mm)的金线互联。同样为排除封装的影响，未进行波纹膜片的焊接以及硅油充注的工艺，封装后的样件如图7所示。

图7 SOI高温压力传感器样件

SOI高温压力传感器芯片封装后的样件通过工装夹具与压力控制器连接，传感器连同工装夹具一同置于高低温烘箱内，当烘箱内设定的温度稳定后即可对样件施加特定的压力值，记录传感器输出端的电压信号值。采用1 mA恒流源供电测试:

1)在恒温25 ℃条件下，对样件及测试系统进行预压和气密性检查后，进行3次0～2 MPa正反行程压力循环标定测试，确定样件的基本性能参数，包括零点输出、满量程输出、非线性、迟滞、重复性以及输入输出阻抗；

2)按照25 ℃→-55 ℃→25 ℃→150 ℃→25 ℃的顺序依次进行测试，每个测试点温度恒定后保温2 h，确保样件受热均匀后在进行数据采集；

3)在恒温150 ℃条件下，采集SOI高温压力传感器30 kPa压力条件下的信号输出，每间隔1 h进行1次数据采集，共进行了6 h测试，期间传感器保持上电工作状态，测试其在高温条件下的短时稳定性。

SOI高温压力传感器测试数据如表1、表2所示。

表1 SOI高温压力传感器温度特性测试数据

表2 150 ℃ 下短时稳定性测试数据

SOI高温压力传感器测试结果为:在1 mA恒流激励下，传感器在25℃时零点输出为-2.54 mV，2 MPa压力载荷下的满量程输出为103.62 mV，压力迟滞及重复性均小于0.05 %FS，非线性小于0.15 %FS，输入输出阻抗均为4.4 kΩ；在-55～150 ℃温度范围内，零点温漂小于20 μV/℃，灵敏度温漂由于恒流源下温度自补偿的作用而小于0.02 %FS/℃，零点温度迟滞小于0.1 %FS；150 ℃温度下6 h内零点漂移小于0.05 mV。

4 结 论

本文研制的SOI高温压力传感器芯片具有较好的常温静态特性，在高温条件下也具有良好的工作特性及稳定性；实际测试数据与设计值吻合，验证了设计方案的合理性。后续将针对本文设计的SOI高温压力传感器进行可靠性分析以及150℃条件下的长期稳定性测试。